拯救地球的大胆计划将二氧化碳变成石头

发布网友 发布时间：2023-07-14 11:33

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热心网友 时间：2024-11-16 19:42

阿尔哈贾尔山脉疲惫、摇摇欲坠的山峰正在像一块腐烂的肉一样慢慢腐烂。微妙的腐烂迹象无处不在。易燃氢气有时会从地下水中冒出。来自天然泉水的水通常富含矿物质。当它流过地面时，这些水会留下一层结霜的白色晶体。只有少数几种植物可以在这种外来土壤中生长。

在这里，在沙特阿拉伯东部的沙漠国家阿曼，山脉包含了地球表面通常不存在的奇异矿物。它们在下方数十公里（英里）处形成——比人类为寻找石油或黄金所钻的深度还要深。现在暴露在地球表面的空气和水中，这些矿物质被证明是化学不稳定的。

下雨时，它会滴入岩石的裂缝中，携带空气中的气体。水和气体与岩石发生反应，形成新的、五颜六色的矿物质。这些由黑色、白色和蓝绿色石头组成的锯齿状脉络越来越深入基岩。就像缓慢而有力的手指一样，矿物质扩大了裂缝，将岩石撬开。

在阿曼的这些碱性泉水中，水从富含溶解钙的地下涌出。钙与空气中的 CO 2迅速反应，形成可在 24 小时内出现的碳酸钙（方解石）薄膜。当水流过岩石时，会留下一层冰冷的方解石晶体涂层。 D.福克斯

Peter Kelemen 认为，这些正在腐烂的岩石可以帮助人类解决一个重要问题：气候变化。

Kelemen 纽约州帕利塞德市 Lamont-Doherty 地球观测站的地质学家，他指出，白色碳酸盐脉是雨水中的二氧化碳 (CO 2 ) 形成的，附着在岩石中的镁和钙原子上。换句话说，这些新矿物捕获的气体与人类燃烧化石燃料时释放的气体相同。正是同样的温室气体使我们的星球变暖。

这些不寻常的岩石分布在阿曼大约马里兰州大小的地区。Kelemen 认为，它们每年自然石化 50,000 至 100,000 吨 CO 2 。与人类每年释放的能量 300 亿吨 CO 2相比，这微不足道。但 Kelemen 和他的同事们相信，这些岩石有朝一日每年可固化多达 10 亿吨 CO 2。散布在世界各地的其他岩层每年可再捕获 100 亿至 200 亿吨 CO 2。“你正在寻找可能对人类全球碳预算产生影响的东西，”他在阿曼的一个下午告诉我。

在阿曼的这些天然泉水中，水从富含溶解钙的地下涌出。它与空气中的CO 2迅速反应生成碳酸钙（方解石）。在很长一段时间内，矿物质会形成美丽的阶梯状梯田，称为石灰华。 D.福克斯

近 20 年来，Kelemen 和他的合作者 Juerg Matter 一直致力于这个想法。Matter 是英国南安普顿大学的地球化学家。2018 年前我在阿曼拜访他们时，他们的团队正忙着在岩石上钻几个洞。他们计划从地下 400 米（1,300 英尺）深处挖出石头。这些核心将帮助他们更好地理解他们希望加速的自然过程。

从空气中去除 CO 2曾经看起来很奇怪。然而，在过去的 20 年中，随着气候变化的紧迫性变得越来越明显，它获得了动力。

许多科学家现在认为，人们不会以足够快的速度减少温室气体的排放，以防止地球升温超过 1.5 摄氏度（2.7 华氏度）。人们认为，这种变暖*将避免气候变化的最危险影响。这些影响包括失控的海平面上升、亚马逊雨林的消失和频繁的灾难性风暴。

科学家们现在建议人们采用一种称为“负排放”的策略。其中包括每年从空气中吸收数十亿吨 CO 2的大型项目。他们需要使用许多策略，例如重新种植森林。或者给海洋施肥以刺激光合作用促进浮游生物的生长。森林和浮游生物自然会从空气中吸收 CO 2。

几家公司也在建造“直接空气捕获”机器以从空气中提取 CO 2 。然后可以将捕获的气体泵入地下。

自 1980 年代以来，能源公司已将少量 CO 2泵入空的油箱。在那里，气体被困在砂岩等沉积岩层之间。但如果气体泄漏出去，可能会导致问题，Gregory Nemet 警告说。他是威斯康星大学麦迪逊分校的能源科学家。“这不需要太多，”他说道。“如果是 1% 或 2% 的泄漏，那真的会给我们稳定气候的计划带来漏洞。”

但不同的岩石，如阿曼的岩石，可以更永久地捕获 CO 2。它们含有高含量的钙和镁硅酸盐。在这些矿物质中，钙和镁原子与氧和硅原子簇结合，称为二氧化硅。这些矿物在地球表面不常见，但在地下深处的岩石中含量丰富。科学家们怀疑这些矿物会与 CO 2发生反应并将其锁定为碳酸盐矿物。这个想法引诱 Matter 参与其中。他想测试一下。

这些被称为橄榄岩的地幔岩石样本是从阿曼钻孔的不同部分切割下来的。白色斑点显示碳酸盐矿物，它是由岩石中的镁和钙原子锁定在溶解在地下水中的 CO 2分子上形成的。 于尔格物质/大学。南安普敦

2001 年，Matter 在 Lamont-Doherty 工作时刚刚获得博士学位。校园坐落在纽约市附近的一片森林中。这些建筑物矗立在悬崖之上，悬崖落入哈德逊河 100 米（325 英尺）。那些巧克力色的棕色悬崖是由被称为玄武岩的石头制成的。它是由数百万年前从地球深处喷发的熔岩形成的。

玄武岩含有硅酸钙和硅酸镁。聘请 Matter 的地球物理学家 David Goldberg 希望他尝试将 CO 2注入其中。

“每个人都认为我疯了，甚至是愚蠢的，”为了尝试这个，Matter 回忆道。其他科学家也做过实验室实验。他们的数据表明碳酸盐矿物需要数百年才能形成。这对于应对当今的气候变化威胁来说太慢了。

但在 2004 年，Matter 和 Goldberg 还是尝试了。他们在玄武岩中的一口井下注入了 230 米（750 英尺）的水。那水含有几公斤（也许5磅）的CO 2。

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一周后，当 Matter 将水抽回时，CO 2已经消失了。这种气体在水中形成弱酸。酸溶解了岩石中的一些钙和镁硅酸盐。它们与气体反应形成碳酸盐。而这发生的速度比实验室测试快 300 到 3,000 倍。该团队早在 2007 年就发表了其研究结果。

“回想起来，我们所做的事情风险很大，”马特说。它有很大的机会不起作用。“我们只是相信它，”他说。而且，他补充说，“我们真的很幸运。”

随后，Matter 和其他几位科学家开始寻找将 CO 2转化为石头的其他地方——而且规模要大得多。2012年，他们得到了机会。

这个地热发电厂和 Carbfix 站点位于冰岛的 Hengill 火山附近。与热水一起出现的火山 CO 2被注入回玄武岩中，以将 CO 2石化（变成石头）作为碳酸盐矿物。 ÁRNI SÆBERG，CARBFIX

冰岛是北大西洋的一个岛国。那里的雷克雅未克能源公司在该国众多火山之一附近经营着一座地热发电厂。该公司想处理 CO 2。它的工厂使用从地下涌出的热水发电。火山经常喷出 CO 2。当水从地下涌出时，它也将这种气体释放到空气中。

但是有一个明显的解决方案。冰岛几乎完全由玄武岩构成。将 CO 2注入该玄武岩应将其锁定。

2012 年，工人们在发电厂附近的一片草地上钻了一个洞，将 400 米（1,300 英尺）的水注入 下面的玄武岩中。这种水的 CO 2含量是苏打水的六倍。为了防止它在气体逸出时剧烈嘶嘶作响，必须将水保持在高压下。数周后，该团队将 71 公吨（78 美吨）的 CO 2注入岩石中。

与此同时，Sandra Snæbjörnsdóttir (SNY-byorns-DOT-er) 从附近的另一个洞里抽水。她是一名地质学家，正在从事这个名为 Carbfix 的项目。她发现当注入的水中渗入岩石时，CO 2正在消失。“它发生的速度实际上比我们想象的要快，”她说。

如该钻芯所示，在冰岛 Carbfix 注入玄武岩的CO 2迅速凝固成白色碳酸钙矿物。 SANDRA SNÆBJÖRNSDÓTTIR，CARBFIX

超过 95% 的 CO 2在两年内形成了矿物——固体岩石。该团队钻了一个新孔并从注入点附近取回了石芯。灰黑色玄武岩的圆柱体带有白色斑点。这些斑点是由注入的CO 2形成的碳酸盐矿物。这些结果出现 在 2016 年的《科学》杂志上。

该项目现在每年石化 10,000 吨 CO 2。Carbfix 已成为一家独立的公司，并计划扩大其业务。

“实际上，你可以将相当多的 CO 2填充到这些岩石中，”现在为新公司工作的 Snæbjörnsdóttir 说。她估计一立方米的玄武岩（一块洗碗机大小的块）可以吸收超过 100 公斤（220 磅）的 CO 2。玄武岩也位于世界大部分海底之下。并非所有这些岩石都适合石化 CO 2。但其中一些似乎是。Snæbjörnsdóttir 预测 Carbfix 最终会尝试将 CO 2注入冰岛海岸附近的这些海洋玄武岩中。

白色碳酸盐脉在阿曼的地幔岩石露头上纵横交错。 KATIE PRATT，深碳观测站/维基共享资源 ( CC BY-SA 2.5 )

物质监督了最初的 Carbfix 实验。但即使在第一次注射之前，他就已经在寻找更多的地方来固化 CO 2。

2007 年，他和 Kelemen 开始研究阿曼的岩石。这些岩石来自地幔。那是我们星球的中间层。人类从未直接见过它。地幔从海底以下约 10 公里（6 英里）处开始，到达地球 2,900 公里（1,800 英里）处。阿曼岩石是被推到地表的一小块地幔。它发生在数百万年前的一次罕见的地质剧变中。

地幔是熔岩和玄武岩的来源。它的岩石含有比玄武岩更高水平的钙和镁硅酸盐。正因为如此，Matter 和 Kelemen 认为，阿曼的岩石每立方米可能能够比冰岛的岩石捕获更多的 CO 2 。

Al Hajar 山脉表面的地幔岩石与白色碳酸盐脉纵横交错。Matter 和 Kelemen 使用放射性碳测年法表明其中一些静脉的年龄不到 5000 年。这表明这些岩石不仅在200万年前吸收了二氧化碳——它们现在也在这样做。Matter 和 Kelemen 在 2008 年发表了这些发现。

这两位科学家仍然需要更多地了解地表下发生的事情。所以在 2017 年和 2018 年，他们和一大群研究人员在阿曼钻了几个洞来取回石核。2018 年 1 月，当他们在偏远的山谷 Wadi Lawyni (WAH-dee Lah-WAY-nee) 钻探时，我和他们一起度过了一周。

阿曼的 Al Hajar 山脉是一块巨大的岩石板的一部分，它长 500 公里（310 英里），宽 60 公里（37 英里），形成于地幔中。2017 年和 2018 年，研究人员钻了几个孔。他们深入地下 400 米（1,300 英尺）以提取岩芯。科学家们正在研究这些岩石如何自然地吸收 CO 2并将其锁定在固体碳酸盐矿物中。 于尔格物质/大学。南安普敦

傍晚时分，几只骆驼漫步经过，咀嚼着参差不齐的灌木。柴油发动机轰鸣。由该发动机驱动的金属钻杆每秒旋转数千次，切入我们脚下的岩石。

时不时地，戴着安全帽的工人们将发动机怠速运转，发出低沉的咆哮声。然后他们从孔中举起钻头，拆下一根金属管，滑出 3 米（9.8 英尺）厚的取芯岩石。

石柱和棒球棒一样厚。将它们放在桌子上后，Kelemen、Matter 和其他几位科学家对它们进行了检查。

科学家们检查了从阿曼钻孔中取出的岩心部分。中间的白色条纹是碳酸镁的脉络。 D.福克斯

灰色的石头中，白色、黑色、橙*和蓝绿色的矿物纵横交错。这些静脉标志着从裂缝中渗出的水和气体与石头发生反应的地方。

氧气与岩石中的铁发生反应——字面意思是“生锈”——形成*和橙色的脉络。黑色、蓝色和绿色的静脉通常是一种叫做蛇纹石的矿物。它是在水与硅酸盐反应时形成的。白色的矿脉通常是碳酸盐矿物——尽管并非总是如此。我看着 Elisabetta Mariani 对矿脉进行快速测试以识别矿物。

Mariani 是英国利物浦大学的地质学家。她用打火机在血管上点燃了几秒钟。然后，她手里拿着一个塑料瓶，在上面挤了几滴酸。静脉受热的部分像苏打水一样嘶嘶作响了几秒钟。当它与酸反应时，岩石释放出微小的 CO 2气泡。

“这是菱镁矿，”她说——碳酸镁。

这些碳酸盐岩脉在岩心顶部 15 米（50 英尺）处很丰富。它们通常像手指一样粗。再往下，它们变薄并且变得不那么频繁。在 100 米（330 英尺）以下，没有。

这证实了 Matter 长期以来的怀疑。“所有的 CO 2都在非常浅的部分矿化，”他说。一旦雨水渗入，它可能会在地下呆很多年。但是它的所有CO 2在一开始就被消耗掉了。

Matter 和 Kelemen 现在认为碳酸盐的形成速度可以提高——而且提高很多。有一天，他们设想将 CO 2以雨水自然浓度的 125 倍（约为苏打水的 6 倍）压入水中。然后将这种混合物泵入地下三公里（近两英里）。那里的岩石温度接近 100 C (212 F)。高温和高压会加速将 CO 2转化为石头的化学反应。

这是很多年以后的事了。

碳酸镁（一种称为菱镁矿的矿物）的矿脉通常沿着岩石的天然裂缝形成。这些裂缝为地下水渗入岩石提供了通道。该水从空气中携带溶解的CO 2 。该CO 2的分子将与岩石中的镁原子配对形成固体碳酸盐矿物。这使得静脉可以在地下生长数千年。 D.福克斯

但是第一步已经开始了。2020年底，一家名为44.01的阿曼公司成立。（它以 CO 2分子的平均重量命名。）该公司的目标是在阿曼的地幔岩石中捕获 CO 2。

“我们的目标是达到 1 亿吨，”在 44.01 形成后不久，Talal Hasan 说道。他是公司的创始人。他所说的“十亿吨”是指每年十亿吨。

当然，第一次现场测试非常小。去年 9 月，工人们将大约 240 公斤（530 磅）的 CO 2注入 Wadi Lawyni 的一个钻孔中。一个月后，Matter 从几米外的另一个洞里取出了一些水样。

物质仍在分析那水。但他希望找到证据证明 CO 2和水的混合物正在与岩石发生反应。“这项测试只是为了在现场规模上证明反应足够快，”他说。稍后，更大的测试将观察新形成的碳酸盐是否像预期的那样将岩石撬开。Matter 和 Kelemen 都在为公司提供科学建议。

但他们愿景的长期成功不仅仅取决于科学结果。这也将取决于世界各国*的决定。

像 44.01 和 Carbfix 这样的公司只能将 CO 2变成石头，前提是有人愿意付钱给他们这样做。

在将 CO 2注入地下之前，首先必须从空气中捕获它。捕获 CO 2的技术并不便宜。尽管如此，Nemet 预测直接空气捕获的成本将随着时间的推移而下降（就像其他技术一样，如风力发电）。

即使有人愿意出钱，将CO 2变成石头也需要大量的工作。Carbfix 和 44.01 等公司可能需要 20 年的时间才能达到每年注入数十亿吨 CO 2的水平。这样做所需的操作将非常庞大。

Kelemen 估计，每年在阿曼捕获 10 亿吨 CO 2可能需要 5,000 口注入井。这些井每年需要将 23 立方公里的水泵入地下。这大约相当于密苏里河年流量的四分之一。因为阿曼是一个沙漠国家，所以这些水必须来自海洋。

每年从空气中收集 10 亿吨 CO 2需要数千台机器，每台机器大约有一辆卡车那么大。它们加在一起每年可以消耗多达 1.3 万亿千瓦时的电力。这是整个德克萨斯州耗电量的三倍。为了避免将更多的 CO 2排放到空气中，这种电力需要来自可再生能源——例如风能或太阳能——而不是化石燃料。

幸运的是，阿曼阳光充足。大约 600 平方公里（230 平方英里）的太阳能集热器可以提供所需的电力。这大约是阿曼国土面积的五分之一。“这并非不可克服，”Ajay Gambhir 说。“但这有点挑战，”这位能源经济学家指出。他在英国伦敦帝国理工学院工作。

到 2050 年，人们每年需要从天空中清除多达 200 亿吨的 CO 2 。这将需要在全球范围内开展 20 个这样的大规模行动——或数百个较小的行动。

Gambhir 将这些技术视为一项重要的“保险*”。完善它们将需要数年时间。但如果到了 2040 年，CO 2排放量仍然很高，那么到那时开始研究它们就为时已晚，他说。“现在这样做是正确的做法。”