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Nature:沙漠里的突破——地下水循环注采为缺水地区CO2快速矿化封存开辟新路径

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全球变暖日益加剧,温室气体减排已成为全球可持续发展的核心议题,碳捕集利用与封存(CCUS)被视为是实现大规模减排和应对气候变化的重要技术手段。CO2矿化封存通过将CO2饱和水注入富含活性硅酸盐矿物的岩层,使其快速转化为稳定的碳酸盐矿物,具有封存稳定、泄漏风险低的优势,尤其适用于缺乏传统沉积圈闭条件的地区(Snæbjörnsdóttir et al., 2020)。但这一路径的大规模应用通常需要消耗相当于CO2质量20–50倍的水资源(Oelkers and Gislason, 2023),成为制约其规模化推广的瓶颈。

冰岛大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学的Eric H. Oelkers教授与沙特阿美(Saudi Aramco)公司合作,在沙特西部沙漠气候区的Jizan玄武岩地层开展了一项CO2矿化封存工业尺度试验(Oelkers et al., 2026)。该研究在缺水、缺乏有效盖层和传统沉积圈闭条件的地区,依靠地下水循环注方式采实现了CO2的快速、安全矿化封存。基于示踪剂监测、流体化学和回收固相矿物分析等证据,约70±5%的注入CO2在10个月内完成矿化固定,显示出远超于传统咸水层封存的数千年矿化反应时间的速率(Xu et al., 2004),为缺水地区CO2快速矿化封存开辟了新路径(图1)。


图1 Jizan二氧化碳矿化示范项目的概述及布局。a. 示意图展示了试点项目的表面和地下结构,其中包括一个水循环系统(未按比例绘制)。b. 注水井和生产井的深度区间,以及为该项目钻探的其他井位信息。c. 红海地图,显示Jizan位于沙特阿拉伯海岸的位置,为热沙漠气候区。d. 研究区域至红海的东西向地质剖面图。Jizan组由向海倾斜的半断陷盆地组成,内含层状火山岩,研究地点覆盖着上新世沉积岩层,且向西厚度增加

研究团队在沙特西部Jizan玄武岩地层布设了一对相距约130 m的生产井和注入井组,构建了地下水循环注采系统。该系统首先从生产井抽取地层水,再通过地面管线输送至注入井;与此同时,纯净CO2通过井内专门设置的管线在约150 m深度注入到井筒中,并在进入射孔井段前完全溶解于循环地下水中,最终以CO2饱和水的形式注入350 m深的目标玄武岩储层。由于目标地层为裂缝发育的玄武岩体,这种注入方式既能够利用地下天然裂缝和断裂网络提供的渗流通道,又可避免游离CO2直接注入带来的浮力上窜风险。整个循环系统与地表大气隔离,减少了CO2泄漏至地表以及氧气进入地层的可能性,避免因氧化反应或微生物活动引起流动通道堵塞问题。与传统溶解注入需要大量外部供水不同,这种“地下水开采—井下CO2混合溶解—地层回注”的循环注采工艺显著降低了外部水资源依赖,同时还能减缓地层压力升高和流体不配伍问题,为缺水地区开展CO2矿化封存提供了新思路。



图2 注入井131吨水溶性二氧化碳注入的前后及过程中,地下的pH值和溶解性无机碳(DIC)浓度的随时间变化情况。a. 地下pH值演化。b. DIC浓度演化。黄色阴影区域表示二氧化碳注入地层的时段

为系统评估注入CO2在地下的运移、反应与固定过程,研究团队构建了由示踪剂监测、流体地球化学分析和固相矿物鉴定组成的多层次监测体系。首先,研究人员分别采用NaF和SF₆两种示踪剂追踪循环流体在地下的流动路径及停留时间,并据此估算在无CO2矿化条件下生产井中应有的DIC浓度基线,再与实测DIC进行对比,从而量化CO2从流体向固体矿物转化的比例。与此同时,持续监测生产井流体的pH以及Ca、Mg、Si、Fe等关键离子浓度变化,以判断注入CO2是否促进了玄武岩中硅酸盐矿物的溶解,为后续CO2矿化沉淀提供阳离子来源。研究还对损坏电潜抽水泵中回收的固体样品开展了XRD矿物分析以及碳、氧同位素测试,用以确认新生成碳酸盐矿物是否源于注入CO2。结果表明,CO2注入后生产井流体pH显著下降、DIC浓度先快速升高后逐步降低,同时Ca、Mg、Si等元素浓度上升,显示出典型的“酸化溶解—矿化沉淀”反应特征(图2)。两类独立示踪结果均表明,约(70±5)%的注入CO2在约10个月内完成了矿化固定;回收固体中的方解石、菱铁矿和铁白云石等碳酸盐矿物及其同位素证据,进一步证明了注入CO2已在地下转化为稳定矿物,实现了快速矿化封存。



图3 不同时间点 CO 2 矿化比例估算。a.测量得到的溶解性无机碳(DIC)与使用氟化钠(NaF)示踪剂计算得出的预期DIC基线值的对比,到2024年4月降至70±5%,这意味着约70%的CO 2 已被矿化固定。b. 测量得到的DIC与使用六氟化硫(SF6)示踪剂计算得出的预期基线值的对比,到2024年4月减少至70±5%,与使用氟化钠示踪剂所获得的结果一致。黄色阴影区域显示了CO 2 注入地层的时段

该研究不仅在缺水、无盖层地区完成了CO2矿化封存的工业尺度示范,还通过多种监测手段对其有效性进行了有力验证,增强了这一技术路径的可信度和工业可行性。其低耗水和快速矿化固定的优势,有望拓展CCUS在非常规地质条件下的应用场景,并为干旱地区工业减排提供了新路径,对我国西部缺水地区CO2封存具有重要借鉴意义。

主要参考文献

Oelkers E H, Gislason S R. Carbon capture and storage: from global cycles to global solutions[J]. Geochemical Perspectives, 2023, 12(2): 179-180.

Snæbjörnsdóttir S Ó, Sigfússon B, Marieni C, et al. Carbon dioxide storage through mineral carbonation[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2020, 1(2): 90-102.

Oelkers E H, Arkadakskiy S, Ahmed Z, et al. CO2 subsurface mineral storage by its co-injection with recirculating water[J]. Nature, 2026, 651(8107): 954-958.(DOI: 10.1038/s41586-026-10130-5)

Xu T, Apps J A, Pruess K. Numerical simulation of CO2 disposal by mineral trapping in deep aquifers[J]. Applied geochemistry, 2004, 19(6): 917-936.

(撰稿:底超杰,田飞,赵亮/油气理论与方法学科中心)

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