探秘玄武岩在 CO2地质储存中矿物溶解的独特响应，解锁碳封存新密码

为解决济州岛玄武岩在中等条件下溶解行为及碳酸化潜力研究不足的问题，研究人员开展玄武岩颗粒在 CO2饱和条件下的溶解实验。结果表明不同矿物溶解行为受温度影响，该研究为优化玄武岩 CO2封存提供依据。

　　在全球努力应对气候变化的当下，二氧化碳（CO₂）排放过量带来的温室效应成为了亟待解决的难题。碳捕获与储存（CCS）技术应运而生，它就像一个 “二氧化碳管家”，负责将排放源头的 CO₂捕获，再运输并把它们安全地长期禁锢在地质层中。其中，矿物碳酸化凭借将 CO₂转化为稳定碳酸盐矿物的能力，在 CCS 技术中脱颖而出，它利用富含硅酸盐的地质层的天然反应性，为 CO₂的永久储存提供了可能。

冰岛的 CarbFix 项目堪称矿物碳酸化在工业规模应用的典范，短短两年内，超过 95% 注入的 CO₂都成功转化为稳定的碳酸盐矿物。这一傲人成果得益于诸多因素，比如注入溶解态的 CO₂促进了快速的地球化学反应，高反应性的玄武岩矿物迅速溶解提供了碳酸盐沉淀所需的阳离子，玄武岩层良好的岩石物理特性，以及与碱性地下水相互作用创造的适宜 pH 条件。

然而，在玄武岩相关的研究中却存在一些棘手的问题。以往实验室规模的玄武岩溶解研究，使用细粉末样品虽然能增大反应表面积来加快溶解动力学，但却偏离了实际地质条件下的反应情况；而使用完整岩心样品的研究，其高温高压的实验条件又难以直接应用于浅层或近地表环境。济州岛的玄武岩具有高渗透性，本应是 CO₂地质储存的优质 “候选者”，但针对其在中等条件下的实验室规模溶解研究却十分有限。为了填补这一研究空白，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在《Applied Geochemistry》上，为玄武岩在 CO₂地质储存领域带来了新的曙光。

研究人员主要运用了扫描电子显微镜（SEM）、电子探针微分析（EPMA）和 X 射线衍射（XRD）等技术。通过这些技术，他们对玄武岩颗粒反应前后的矿物学和成分进行详细表征，同时使用电感耦合等离子体 - 光学发射光谱仪（ICP - OES）分析阳离子，离子色谱仪测量氯离子浓度，以此来探究矿物溶解过程中的各种变化。

在岩石分析方面，研究人员发现，经 XRF 测量，反应后玄武岩颗粒中 SiO₂和 Al₂O₃含量增加，Fe₂O₃和 MgO 含量显著降低，CaO 含量略有上升。这一结果表明，在酸性富 CO₂条件下，橄榄石和辉石等富含铁和镁的矿物被选择性浸出，而其他矿物相对富集。XRD 分析显示，初始玄武岩主要由斜长石、辉石、橄榄石和钛铁矿组成，反应后橄榄石含量大幅下降，斜长石变化较小，其他矿物有少量增加。显微镜观察也证实了橄榄石在酸性富 CO₂条件下优先溶解。

在研究局部溶解模式时，研究人员发现，反应后玄武岩的孔隙分布发生明显变化，出现了 1μm 左右的新峰，小孔几乎消失。SEM - BSE 成像和 EPMA 分析显示，橄榄石溶解形成了富含铁、硅和残留镁的结构，同时还发现了新形成的 SiO₂区域，表明有局部二氧化硅沉淀。

流体化学的研究结果同样引人注目。反应初期，pH 约在 2.5 - 3.5，50°C 时降至 3.0 - 3.5。元素迁移模式反映了矿物特定的溶解速率，初期镁的释放表明橄榄石快速溶解，随后铁和硅浓度增加，也与橄榄石持续溶解有关。温度升高后，钙、镁、铝浓度变化，暗示了辉石和斜长石溶解增强，同时硅浓度下降，可能是由于二次二氧化硅沉淀。此外，钾在反应初期有高释放，后随时间下降，与海水相互作用有关。

综合来看，研究人员通过实验得出结论：玄武岩溶解初期，橄榄石快速溶解，释放大量镁和铁；温度升高到 50°C 后，斜长石（拉长石）溶解作用增强，钙和铝的迁移增加。局部孔隙结构分析揭示了橄榄石颗粒镁贫化和铁富集的特征，后期硅浓度降低表明有二次二氧化硅沉淀。该研究明确了不同矿物在 CO₂流体条件下元素迁移的贡献，强调了考虑矿物特定溶解行为和环境条件对优化地质 CO₂储存策略的重要性。

这项研究意义重大，它为玄武岩在 CO₂地质储存中的应用提供了详细的矿物学和流体化学依据。研究结果有助于科研人员深入理解玄武岩与 CO₂的相互作用机制，为后续优化 CO₂地质储存策略指明了方向。通过考虑矿物特定溶解行为和环境条件，有望进一步提高 CO₂的封存效率和稳定性，推动碳捕获与储存技术朝着更加可持续和高效的方向发展，为全球应对气候变化贡献关键力量。