捕捉碳的岩石

吕　静

如果这一设想得到论证，人类只需要轻轻地引导，自然的力量将为我们清除大气中过多的二氧化碳

一种有助于降低二氧化碳排放到大气的办法就是将其泵入地下封存。但是，根据最新研究，世界上有一种岩石能够直接吸收二氧化碳。地质学家发现，在中东国家阿曼和世界上其他一些地区，有一种岩石能够大量吸收二氧化碳，形成新的矿物，科学家认为这将有助于减缓全球变暖。

这种岩石叫做橄榄岩，是上层地幔中一种主要岩石。橄榄岩一般存在于地下20千米处或更深的地方，由于板块构造迫使一些地幔上升，有的橄榄岩被挤到了地球的表面。比如在阿曼沙漠中就存在很多橄榄岩，这正是纽约哥伦比亚大学的凯勒曼和梅塔研究的问题。

自然的一种力量

地质学家早已知道，当把橄榄岩放在空气中时，它会很快地与二氧化碳反应形成像石灰石和大理石一样坚硬的碳酸盐岩石。为此，有些人曾试图将橄榄岩磨碎，想用它来吸收发电站的排放气体。但是，经证实这个过程太昂贵，部分原因是运送石头需要成本，运输过程也产生排放。现在，凯勒曼和梅塔提出，可将二氧化碳埋到地下的橄榄岩层中。

他们的研究发表在《美国科学院院报》上。研究表明，这些阿曼的橄榄岩远远超出我们的想象，它们一年可以吸收成百上千吨的二氧化碳。而且，通过打孔和注入等简单方法，就能10万倍提高反应速度。他们估计，仅仅利用阿曼地表的橄榄岩，每年就能吸收40亿吨二氧化碳。人类活动每年产生的二氧化碳大约为300亿吨，主要因燃烧化石燃料所致。

从事地球环境研究的地质学家凯勒曼和地理化学家梅塔都在哥伦比亚大学的拉蒙特·多尔提地球科学研究所效力。他们是在阿曼沙漠的野外工作中经过多年研究才做出此项发现的。他们的研究领域就是暴露的橄榄岩，这些岩石与海岸的阶丘、矿脉和其他白色的碳酸盐类矿物交叉形成于地表。他们发现，在近代，岩石中的矿物质与存在于空气和水中的二氧化碳发生反应的速度加快了，地下矿脉中的碳酸盐类增加了10倍。

以前人们认为，地下矿脉是在隔绝大气的过程中形成的，这些岩石距今已经有9600万年的年龄了。然而，利用常规的碳同位素测定这些岩石的年代，凯勒曼和梅塔却发现这些地下矿脉相当年轻，平均只有2.6万年，而且还在积极地与富含二氧化碳的地下水形成向下渗透的岩层。很多地下岩石的样本就暴露在阿曼新修道路的路口。

接触到二氧化碳的橄榄石会变成碳酸钙和碳酸镁的岩石。科学家们发现，在阿曼，每年都这样自然而然地消耗成百上千吨的二氧化碳。

苏黎世瑞士联邦理工学院分离过程实验室主任马泽蒂说，哥伦比亚研究人员的策略很有吸引力，因为这样储存大量二氧化碳看上去很有潜力。今天，我们的碳封存策略就有将其埋在地下，封存于多孔的蓄水层或废油井中。马泽蒂解释道：哥伦比亚研究人员的方法是在形成岩石的过程中储存碳，势必比一般掩埋法减少了二氧化碳溢出的机会。

两种实施方案

在天然橄榄岩的形成过程中，会捕捉地下矿脉网中的二氧化碳。橄榄岩中包括大量橄榄石，橄榄石是一种包含镁、硅和氧的矿物。地下水和橄榄石发生反应，水中就溶解了大量的镁和碳酸氢盐——吸收二氧化碳反应而来。随着水继续往岩石深处渗透，镁、碳和氧的沉淀物从溶液中析出，形成碳酸镁，也叫做菱镁矿。橄榄石也可形成包含钙、镁、碳和氧的白云石。当成为菱镁矿和白云石的形式时，岩石的总体积会增加大约44%，这将引起岩石通体爆裂，产生直径小于50微米的缝隙网络结构。岩石的开裂使得水进一步渗透，从而吸收更多的二氧化碳进行反应。

经过计算，研究人员认为，这一自然过程可以被戏剧化地加速。利用经常在石油工业中应用的技术，可以让这种岩石进一步破裂，增加反应的表面积。从发电厂捕捉的二氧化碳可以被泵入岩石，使之形成碳酸盐。加热岩石会增加反应速度，而且，由于反应本身是产热的，一旦其到达一定的反应速度，就变成了一个自我维持的反应。启动这种自我维持反应需要将岩石加热到185℃，可以在岩石龟裂过程中完成加热。计算结果：在这样一个系统中，1立方千米的岩石每年可储存10亿吨二氧化碳。

研究人员还提出一个既无需运输二氧化碳又不用加热岩石的碳隔离对策。他们将岩石形成的地点放在离阿曼海岸不远的浅海中，利用石油工业中现有的技术给石头钻孔，造成岩石破裂。他们一般给岩石打两个孔，在一个孔中泵入冷海水。地球本身的产热此时将产生作用，这些橄榄岩延伸到地表下5千米，越是向下温度越高。由于岩石的温度随着深度而增加，当水被灌进孔中，它们也会逐渐变热，直到接近185℃。二氧化碳会自然地溶解于水，然后变成沉淀从溶液中析出。热水最终将流过岩石缝隙到达第二个钻孔，通过对流可以上升到表面。这些海水可以很快吸收更多的二氧化碳，因为浅水能将大气混合进来。凯勒曼说：“大气在全世界都是免费运送二氧化碳的。”所以，如果大规模使用这种方法，就可能降低全球范围的二氧化碳浓度。

不过，二氧化碳的浓度在海水中有所限制，采用这种办法，1立方千米的岩石1年只能吸收100万吨的二氧化碳。但因为无需运输二氧化碳和额外花钱加热岩石，凯勒曼认为我们可能让它在大面积的岩石上发生作用，从而每年为地球减少几十亿吨二氧化碳。

等待更充分的试验

马泽蒂表示，从概念上讲，这些都没错。但问题是这些方法在实践上是不是真的行得通。仅就一件事情讲，自维持反应取决于碳酸镁和其他沉淀物持续地沉淀到岩石的裂缝中并暴露出更多裂缝。研究人员已经在阿曼观察到这种地质变化，但这并不能说明他们所设想的反应能够持续。马泽蒂认为这些概念还需要用大规模实验来证实。

梅塔说：“很幸运，在海湾地区存在这种岩石。”的确，世界上绝大多数石油和天然气都来自这里，而且，阿曼正在建设一个新的燃气发电厂，到时候这个电厂所产生的二氧化碳可以全部埋到石头中。

也许这些岩石有望成为海湾地区能源工业最便捷的碳汇(是指利用植物光合作用等手段吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被或土壤中，从而减少温室气体在大气中的浓度)。橄榄岩也存在于世界上其他地区的地表，比如一些太平洋上的巴布亚新几内亚和喀里多尼亚、希腊和克罗地亚海岸，另外，美洲大陆也有少量分布。

能吸碳的岩石可能还不止一种，梅塔现正在冰岛的一个新项目中研究火山玄武岩，这种岩石也能吸收二氧化碳。