把二氧化碳埋地下

王堯 姚舜禹 陳廣峰

中國(guó)作為全球氣候治理的積極參與者、構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的首倡者和先行者，提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)承諾。二氧化碳（CO2）作為大氣中最主要的溫室氣體之一，一直備受關(guān)注，各類控制方法層出不窮，二氧化碳地質(zhì)封存就是其中一種。

從哪兒來(lái)，回哪兒去

大氣中的溫室氣體主要有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、氯氟碳化合物（CFCs）及臭氧（O3）等。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，溫室效應(yīng)就是溫室氣體吸收地球表面釋放的長(zhǎng)波輻射熱量，讓地球表面的大氣溫度升高。其實(shí)，這種最原始的溫室效應(yīng)早就存在，它對(duì)人類發(fā)展也有重要意義——若不存在，地球上的季節(jié)和晝夜溫差會(huì)很大，不適宜人類生存。但工業(yè)革命后，人類活動(dòng)釋放出大量溫室氣體，溫室效應(yīng)日益增強(qiáng)，導(dǎo)致出現(xiàn)一系列現(xiàn)在科學(xué)不可預(yù)測(cè)的全球性氣候問(wèn)題。

由此，針對(duì)大氣中最主要的溫室氣體——二氧化碳，一種名為二氧化碳地質(zhì)封存的方法被提出：既然人類排放的二氧化碳大部分由地下埋藏的化石能源釋放，那為什么不再將其埋回地下？

?化石燃料燃燒是二氧化碳人為排放的主要來(lái)源之一

封碳，方法不唯一

二氧化碳地質(zhì)封存，是指通過(guò)工程技術(shù)手段，將工業(yè)源排放的二氧化碳捕集后，注入地下800～3500米深度范圍內(nèi)的陸上深部咸水層、枯竭油氣藏、不可開(kāi)采煤層、海底咸水層等地質(zhì)構(gòu)造中，再通過(guò)一系列的巖石物理束縛、溶解和礦化作用將其封存在地質(zhì)體內(nèi)。其中，陸上深部咸水層碳封存和枯竭油氣藏碳封存技術(shù)現(xiàn)在最為成熟。

陸上深部咸水層碳封存：占據(jù)主導(dǎo)

陸上深部咸水層因具有分布廣泛、儲(chǔ)存量大等特點(diǎn)被視為二氧化碳長(zhǎng)期封存的最優(yōu)場(chǎng)地。

為什么會(huì)選擇深部咸水層呢？深部咸水多為礦化度較高的咸水，很難開(kāi)采利用。而且，其中大量的鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）等可以與二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鈣（CaCO3）、碳酸鎂（MgCO3）等物質(zhì)，這些正是自然界一些巖石的主要成分。也就是說(shuō)，深部咸水層將參與反應(yīng)的二氧化碳變成了堅(jiān)固的巖石，即發(fā)生了礦化作用。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程很緩慢，甚至需要百萬(wàn)年。

雖然二氧化碳能與鈣離子、鎂離子反應(yīng)，但能參與的數(shù)量有限，無(wú)法滿足全部需要。所以在深部咸水層中，二氧化碳還會(huì)被咸水層上覆的蓋層封隔、孔隙束縛，或溶于水中被封存下來(lái)。

?二氧化碳地質(zhì)封存的主要方法示意圖（繪圖/魏欣）

枯竭油氣藏碳封存：省時(shí)省力

油田、天然氣田經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的開(kāi)發(fā)后，受技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件等的限制，剩下的油氣不能被采出，被稱為枯竭油氣藏。雖然它已失去原有價(jià)值，但卻對(duì)二氧化碳地質(zhì)封存具有很大優(yōu)勢(shì)：可充分利用已有的油氣藏勘探開(kāi)發(fā)資料、井場(chǎng)和油井設(shè)備進(jìn)行封存，節(jié)省投資和工程時(shí)間。

二氧化碳注入枯竭油氣藏后，或溶于地層流體、成石固化，或被地層構(gòu)造圈閉捕獲，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)封存。

不可開(kāi)采煤層碳封存：受“偏愛(ài)”的CO2

這個(gè)方法與枯竭油氣藏碳封存有相似之處。在煤系地層中，普遍存在著因技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因而棄采的煤層，這也是儲(chǔ)存二氧化碳的一個(gè)潛在地質(zhì)場(chǎng)所。

煤層通常都伴生有甲烷。因?yàn)槎趸荚诿后w表面被吸附能力是甲烷的2倍，所以當(dāng)二氧化碳被“偏愛(ài)”它的煤或有機(jī)物豐富的頁(yè)巖吸附后，就開(kāi)始置換甲烷類氣體。在這種情況下，只要壓力和溫度保持穩(wěn)定，二氧化碳將長(zhǎng)期保持被俘獲狀態(tài)，最終以吸附態(tài)、游離態(tài)賦存于煤層中。

除了以上方法，二氧化碳的玄武巖碳封存（利用玄武巖的礦化反應(yīng)封存）、海域沉積盆地碳封存（利用其咸水層封存）等技術(shù)也在不斷發(fā)展。

氣候變化關(guān)乎人民福祉和人類未來(lái)，以全球變暖為主要特征的氣候變化已成為人類社會(huì)共同面臨的最重大環(huán)境與發(fā)展挑戰(zhàn)之一。據(jù)調(diào)查，中國(guó)二氧化碳地質(zhì)封存潛力巨大，科學(xué)家們?nèi)缃裾涌煅芯坎椒?，力?zhēng)為中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和作出更大貢獻(xiàn)。