第8卷 第4期中 国 地 质 调 查
Vol.8 No.42021年08月
GEOLOGICAL SURVEY OF CHINA
Aug.2021
doi:10.dzdc.2021.04.03引用格式：邱添，曾令森，申婷婷.基性-超基性岩碳酸盐化固碳效应研究进展[J].中国地质调查,2021,8(4):20-32.(Qiu T,Zeng L S,Shen T T.Progress on carbon questration through carbonation of mafic⁃ultramafic rocks[J].Geological Survey of Chi⁃
na,2021,8(4):20-32.)
基性-超基性岩碳酸盐化固碳效应研究进展
邱添1,2，曾令森1，申婷婷1
(1.中国地质科学院地质研究所自然资源部深地动力学重点实验室，北京 100037;
2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广东广州 511458)
摘要：人为排放CO 2导致全球气候变暖已经对人类生存和发展造成威胁，碳捕获与封存是世界公认的实现碳减排的主要途径之一。基性-超基性岩碳酸盐化固碳作为地质碳汇之一，是一种经济、安全且长久的碳捕获与封存方式，引起了国际社会越来越多的重视。本文阐述了自然条件下基性-超基性岩碳酸盐化反应过程，分析其固碳机理和影响基性-超基性岩碳酸盐化速率的主要因素。在此基础上，梳理并总结了目前国际上基性-超基性岩固碳技术的研究进展和典型应用实例，认为全球广泛分布的基性-超基性岩具有巨大的固碳潜力。该技术的推广和应用将对未来大气CO 2减排具有重要意义。 关键词：基性-超基性岩；硅酸盐矿物；碳酸盐化；二氧化碳；碳捕获与封存
中图分类号:P588;P59;X14 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2021)04-0020-13
收稿日期:2021-07-06；修订日期:2021-08-13。
基金项目：国家自然科学基金“新疆萨尔托海石英菱镁岩相关的金矿床成矿流体特征及其对矿床成因的限定(编号:41703053)”、“喜马
拉雅造山带中生代岩浆作用与印度大陆北缘构造动力学过程(编号:92055202)”、“西南天山超深蛇纹岩和其包裹的榴辉岩岩石学及其折返机制研究(编号:41782072)”，第二次青藏高原科学考察“典型地区岩石圈组成、演化与深部过程(编号:2019QZKK0702)”，中国地质调查局“全国地质碳汇碳储评价与区划(
编号:DD20221817)”，中国地质科学院地质研究所基本科研业务费“阿尔巴尼亚布尔齐泽不同类型铬铁矿中的矿物包裹体特征及指示意义(编号:J1903)”、“喜马拉雅造山带淡色花岗岩成因及成矿效应(编号:J1901)”和南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项“大洋钻探科学研究———南海重大基础地质问题与首钻选址(编号:GML2019ZD0201)”项目联合资助。
第一作者简介：邱添(1987—)，女，助理研究员，主要从事矿床地球化学研究工作。Email:tianqiu@pku.edu。通信作者简介：曾令森(1970—)，男，研究员，从事构造地质和地球化学研究工作。Email:lzeng1970@163。
0 引言
全球性气候变暖已经成为一个威胁人类生存和发展的问题，人为排放CO 2是导致全球变暖最主要的因素，直接影响全球生态环境安全[1]。如今，全球大气中CO 2浓度比人类历史上的任何时候都要高。过去十年中大气CO 2浓度更是以每年2.3×
10-6的速度增长，比自然条件下大气CO 2浓度变化
快近100倍[2]。为应对全球气候变化的严峻形势,2015年《巴黎协定》明确规定了全球增温控制在1.5~2℃并倡导各国自主减排[3]。世界各国积极响应并探索减排的有效措施，中国政府也做出2030年
前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和的郑重承诺。大气中CO 2浓度的增加在很大程度上归因于化石燃
料的使用[4]，然而未来几十年，全球能源消费中化石燃料仍将占据主导地位，研发CO 2减排以及捕获与封存新技术是国际社会当前迫切需要解决的问题。碳捕获与封存(Carbon Capture and Storage,
CCS)技术被公认为是最终实现CO 2零排放的主要
途径之一[4-5]。该技术将大量排放的CO 2从排放源分离，利用不同封存机制将CO 2存储在包括陆地
生物圈在内的封存地点，而非直接排入大气圈[6]。其中，地质封存是指将气态、液态或超临界CO 2注入沉积盆地下的地质体/构造(如深部咸水层、枯竭油气田和煤层等)中，利用储层上部的圈闭构造阻止CO 2在浮力作用下向上运移(封存机制：构造/地层封存)，其中少量CO 2封存在岩石介质的孔隙中(残余气体封存)，随着时间推移溶解在地下水中(溶解封存)，并与周围岩石发生反应形成稳定碳酸
第4期邱添，等：基性-超基性岩碳酸盐化固碳效应研究进展
盐矿物(矿物封存)[7-12]。然而，以上常规地质封存技术在广泛的应用推广中面临着挑战：沉积地层中岩石的反应活性普遍较低，且缺少形成碳酸盐矿物的二价金属阳离子，矿物封存受到制约，真正完成地质封存可能需要数千年[7]；注入的大部分二氧化碳将长期停留在气态、液态或超临界状态，并存在
迁移回到大气中的可能性[13]。
基性-超基性岩矿物碳酸盐化作为更有优势的碳封存技术，可以将CO2快速转变为稳定的碳酸盐矿物，实现长久固碳，且不需考虑CO2返回大气的风险，在增加储存安全性的同时也降低了对盖层岩石的依赖，使得CO2封存工程潜在的健康、安全以及环境风险降到最低[14-16]。地球上广泛分布的基性-超基性岩(陆地和海洋，包括大陆溢流玄武岩、洋底玄武岩和地幔橄榄岩等)，为CO2封存提供了一个巨大的碳储空间[17-18]。本文旨在通过阐述自然界基性-超基性岩碳酸盐化的过程及其固碳机理并梳理总结目前国际上关于基性-超基性岩固碳技术的研究进展和美好展望，加深对基性-超基性岩碳酸盐化过程的理解，提高对此项固碳技术的认识和重视。
1基性-超基性岩碳酸盐化固碳机理Seifritz最先提出基性-超基性岩碳酸盐化作用可以封存CO2[14]。自然界基性-超基性岩石中主要矿物为橄榄石、辉石和基性斜长石，蚀变矿物主要为蛇纹石，这些矿物均富含高浓度的Ca2+和Mg2+等二价阳离子，是矿化封存CO2的首选岩石类型。在一定温压条件范围内,CO2快速溶解在水中，形成pH值为3~5的酸性溶液，反应方程式为
CO2+H2O=H2CO3=H++HCO-3
含CO2的酸性溶液与富含Ca2+和Mg2+的硅酸盐矿物反应式为
4H++2H2O+CaMgSi2O6=Ca2++Mg2++2H4SiO4一方面消耗H+，使pH升高，有利于碳酸盐矿物沉淀，另一方面促使硅酸盐矿物溶解，提供Ca2+和Mg2+等二价阳离子，与CO2结合形成稳定的碳酸盐矿物。
产物中碳酸盐矿物的种类多样，与反应过程中阳离子的种类、体系pH和温度有关。例如:Ca2+易于在<300℃条件下与CO2反应，当溶液过饱和，沉淀出方解石或霰石[19-20]；在温度>65℃条件下,Mg2+过饱和溶液中沉淀出菱镁矿和白云石，而温度较低时则会形成含水碳酸盐矿物，如水菱镁矿[MgCO3·3H2O]和球碳镁石[Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O]等[21-25]。基性-超基性岩石中的主要矿物碳酸盐化涉及到的化学反应均为正向进行的自发放热反应，方程式为[13,15,25-29]
2Mg2SiO4(橄榄石)+CO2+2H2O=Mg3Si2O5(OH)4(蛇纹石)+MgCO3(菱镁矿)
2Mg2SiO4(橄榄石)+CaMgSi2O6(辉石)+CO2+6H2O=
2Mg3Si2O5(OH)4(蛇纹石)+CaCO3(方解石)+2MgCO3(菱镁矿)+2H4SiO4
2Mg3Si2O5(OH)4(蛇纹石)+3CO2(aq)=3MgCO3(菱镁矿)+Mg3Si4O10(OH)2(滑石)+3H2O Mg3Si4O10(OH)2(滑石)+3CO2(aq)=3MgCO3(菱镁矿)+4SiO2(石英)+H2O
CaAl2Si2O8(钙长石)+CO2+2H2O=CaCO3(方解石)+Al2Si2O5(OH)4(高岭石)
2自然界基性-超基性岩碳酸盐化过程及其固碳效应
自然界中硅酸盐风化，尤其是基性-超基性岩(玄武岩和地幔橄榄岩)碳酸盐化过程对于调节全球大气CO2含量起着重要作用[30-33]。显生宙以来地球上弧-陆碰撞发生的古地理位置与冰川作用的强相关性，揭示了数百万年时间尺度上全球冰期—间冰期的气候转变与低纬度基性-超基性岩的出露面积及其风化作用吸收CO2的能力有关[32]。在低纬度温暖潮湿的热带地区，大规模弧-陆碰撞导致基性-超基性岩逆冲推覆至浅地表，易发生化学风化，增加CO2吸收量，从而驱动全球变冷。
全球绝大部分洋底和>5%的陆地面积由玄武岩组成(图1)。虽然陆地上的玄武岩相对较少，但大陆及火山岛上玄武岩碳酸盐化吸收的CO2含量占陆地上所有硅酸盐风化作用吸收CO2的30%[13]，显示出明显的固碳优势。在洋底，最大规
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中国地质调查2021年
模的CO2吸收发生于洋底玄武岩的碳酸盐化过程，洋底火山地热系统中的玄武岩从其根部的岩浆脱气过程中吸收CO2。洋壳通常厚6~7km。在全球范围内具有显著一致的层序[34-35]。洋脊侧翼的热
液环流集中在洋壳最上层1km处，使洋壳广泛发生CO2-H2O-玄武岩相互作用。洋底热液活动引起玄
武岩碳酸盐化的过程每年可吸收40Mt CO2[36-37]。通过对冰岛3个玄武岩型地热田钻孔中碳酸盐矿物的CO2测量，认为每立方米年轻、未蚀变的玄武岩可储存的CO2超过0.1t[38]，并以此推算洋中脊可存储的CO2为1×105~2.5×105Gt (超过所有化石燃料产生的CO2总量)[39]
。
图1大陆玄武岩、洋底高原玄武岩和洋中脊(<10Ma)全球分布[13]
Fig.1Global distribution of continental basalts,oceanic plateau basalts and mid⁃ocean ridges(<10Ma)[13]
地幔橄榄岩通常位于大洋6km或大陆40km 深度以下，当被大型逆冲断层推覆至浅地表，其与地表水以及大气中CO2处于极不平衡状态，易发生碳酸盐化反应。全球主要构造缝合带(古板块边界)普遍发育蛇绿岩，其中的地幔橄榄岩往往发生不同程度碳酸盐化蚀变，形成含碳酸盐矿物的多种蚀变矿物组合[40-41]。阿曼Semail蛇绿岩地幔橄榄岩碳酸盐化的规模最大、研究程度最高[31,42-45]。Semail蛇绿岩代表沿逆冲断层推覆上来的洋壳残片，出露地表的地幔橄榄岩由于低温风化作用形成大面积钙华和微晶碳酸盐脉(图2(a),(b))。穿透蛇绿岩的钻孔岩心(例如BT1B号钻孔获取总长约300m的连续岩心，由200m石英菱镁岩夹少量蛇纹岩(上部)和100m绿片岩相变质基底(下部)组成)显示，逆冲推覆地幔橄榄岩几乎完全碳酸盐化转变为(铬云母)石英菱镁岩(图2(c),(d))。全球不同蛇绿岩中常出现地幔橄榄岩-蛇纹岩-碳酸盐滑石片岩-石英菱镁岩的蚀变分带或晕圈，如加拿大不列颠哥伦比亚Atlin蛇绿岩(图3(a))[46]、中国西藏罗布莎(图3(b))[47]以及新疆达拉布特蛇绿岩(图3(c)-(f))[48]，代表了地幔橄榄岩发生碳酸盐化反应不同阶段的产物。石英菱镁岩以石
英、碳酸盐矿物(菱镁矿和白云石)、铬云母、少量黄
铁矿和残余铬尖晶石为特征矿物组合，是地幔橄榄
岩与含CO2流体交代反应的终端产物[49-50]。岩相学证据和相图关系揭示了地幔橄榄岩碳酸盐化反
应转变为石英菱镁岩的3阶段过程:①地幔橄榄岩
先蚀变形成蛇纹岩(主要矿物组合：蛇纹石+磁铁
矿)(图4(a));②随着体系CO2含量逐渐升高，滑石和菱镁矿结晶并从边部或裂隙交代蛇纹石，蛇纹岩逐渐转变为碳酸盐滑石片岩(滑石+菱镁矿+磁铁矿)(图4(a),(b));③滑石分解形成球状石英集合体和菱镁矿(图4(c))，随着反应不断进行，球状石英集合体逐渐转变为粗粒、等粒结构的石英，与菱镁矿镶嵌共生，形成石英菱镁岩(石英+菱镁矿±铬云母)[51](图4(d))。
世界上大量存在的碳酸盐化地幔橄榄岩(包括
石英菱镁岩)证明自然界中超基性岩固碳效应是普
遍存在且重要的。Semail蛇绿岩体长约350km，宽
约40km，平均厚度为5km，其中30%为地幔橄榄
岩[52]。根据Semail蛇绿岩中碳酸盐化地幔橄榄岩和碳酸盐脉的体积并结合碳酸盐化时代(14C定年
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第4期邱添，等：基性-超基性岩碳酸盐化固碳效应研究进展
获得平时年龄为2.6×104a)，认为自然条件下Se⁃mail蛇绿岩每年封存CO2大约104~105t[31]。Kele⁃men和Matter估算了Semail蛇绿岩中矿物原位碳酸盐化封存CO2的巨大潜力：若橄榄岩可以封存CO21wt%，整个Semail蛇绿岩可封存现今大气中CO2总量的1/4；如果将Semail蛇绿岩地幔橄榄
岩
(a)碱性热泉附近形成大面积钙华[31];(b)微晶碳酸盐脉胶结碳酸盐化橄榄岩;(c)石英菱镁岩与下伏变质基底呈断层接触，石英菱镁岩中含少量蛇纹岩夹层/团块[42];(d)穿透蛇绿岩的钻孔BT1B，显示地幔橄榄岩几乎完全碳酸盐化，转变为石英菱镁岩和铬云母石英菱镁岩[44-45]图2阿曼Semail蛇绿岩中碳酸盐化地幔橄榄岩的野外照片及钻孔柱状图
Fig.2Field photographs and downhole stratigraphy of core BT1B of carbonated
mantle peridotite in the Semail ophiolite,
Oman
(a)加拿大不列颠哥伦比亚Atlin蛇绿岩的平面展布图，显示方辉橄榄岩-蛇纹岩-石英菱镁岩的蚀变晕圈[46];(b)中国西藏罗布莎蛇绿岩中方辉橄榄岩经历不同程度碳酸盐化反应形成方辉橄榄岩-蛇纹岩-碳酸盐滑石片岩-石英菱镁岩的蚀变分带[47]
图3-1全球不同蛇绿岩中碳酸盐化地幔橄榄岩的蚀变带/晕圈
Fig.3-1Alteration zones or halos of carbonated mantle peridotite in different ophiolites in the world
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中国地质调查2021
年
(c)-(f)中国新疆达拉布特蛇绿岩中的蛇纹岩-碳酸盐滑石片岩-石英菱镁岩分带或晕圈，石英菱镁岩中见蛇纹岩残余[48]
图3-2全球不同蛇绿岩中碳酸盐化地幔橄榄岩的蚀变带/晕圈
Fig.3-2Alteration zones or halos of carbonated mantle peridotite in different ophiolites in the
world
(a)网脉状蛇纹岩中蛇纹石从边缘和裂隙被菱镁矿和滑石交代;(b)碳酸盐滑石片岩中的菱镁矿变斑晶浸染状分布在滑石基质中;(c)碳酸盐滑石片岩中的石英呈球状集合体分布在滑石基质中或围绕菱镁矿和铬尖晶石边缘结晶;(d)石英菱镁岩中的石英球状集合体和粗粒石英、菱镁矿镶嵌共生[51,53];(e)蛇纹岩转变为石英菱镁岩的f(O2)vs.x(C)含量关系相图。Tlc.滑石;Mgs.菱镁矿;Gra.石墨;Srp.蛇纹石; Mt.磁铁矿;Qtz.石英
图4新疆达拉布特蛇绿岩中蛇纹岩碳酸盐化过程的显微照片及相图关系
Fig.4Photomicrographs and pha diagram of the carbonation process of rpentinites in the Darbut ophiolite,Xinjiang
中所有的Mg2+转变为碳酸盐矿物，则可封存CO2 7×104Gt[31]。世界上还有多处和阿曼Semail蛇绿岩体积相当的蛇绿岩块体，如地中海亚得里亚海东海岸出露多个100km×40km规模的蛇绿岩块体，但目前还没有对其封存CO2潜力的评估报道。
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