赋新技于旧岩：南非的碳捕集、利用与封存

《Geoscience Frontiers》：Teaching an old rock new tricks: Carbon capture, utilisation and storage in South Africa

　　

南非被记录为非洲大陆最大的人为碳排放国。这些排放的很大一部分与该国对煤炭的依赖有关，用于能源发电和社会经济发展。南非政府已承诺在未来十年内将该国碳排放量至少减半。南非煤炭-气候经济的复杂性意味着该国将在公正转型（Just Transition）框架内减少排放。这意味着煤炭在这一时期内仍将占据突出地位。碳捕集、利用与封存（CCUS）为支持南非气候变化目标同时推进预期公正转型提供了一条潜在路径。CCUS技术的成功在很大程度上取决于合适的地质封存储层、部署成本及相关经济激励。本文通过展示对姆普马兰加省Govan Mbeki市一个拟议CCUS站点的综合地球科学研究结果，为这一知识体系作出贡献。这些发现基于区域地质与构造填图、航空地球物理、三维反射地震、矿物学、岩相学和地球化学的新报道地球科学数据。体积估算表明，仅玄武岩序列就可能封存至少1×10⁶ t二氧化碳。南非北部大部分地区地质的连续性意味着存在大量额外地下封存潜力。这些储层还靠近南非的煤田和主要碳排放源。本文还提出了经济模型，以评估CCUS在南非煤炭-经济-气候变化关系中的潜在作用。在当前政策考虑下，CCUS的采用可能支持煤炭价值链到2050年至少达到每年200亿美元，同时产生至少16×10⁶ GWh的燃煤电力。然而，成功的试点规模示范至关重要。南非应重点关注试点规模CCUS技术的部署，以验证储层性能并支持可持续的公正转型。

研究背景方面，南非每年排放约500×10⁶ t人为碳排放，这些排放主要源于该国对煤炭的依赖。南非丰富的煤炭储量支撑着能源发电、原材料生产和就业。南非政府已承诺在未来十年内将人为碳排放至少减半，且这些减排预计将在公正转型框架内实现，即从煤炭向替代能源的过渡将是渐进的，煤炭在未来十年内仍可能留在能源结构中。CCUS为在南非能源转型中遏制人为碳排放提供了潜在路径，其旨在通过源头捕集来限制大气碳排放，捕集的排放物可用于合适的碳工业，未利用的捕集气体则可永久封存于合适的地质储层中。大型地质储层的可用性对CCUS技术发展至关重要。初步研究表明南非在近岸和近海地区拥有大型常规地质储层，进一步研究表明在姆普马兰加省Govan Mbeki市的主要排放源附近存在额外非常规地质储层。然而，此前存在潜在封存体积估算的不确定性以及需要基础地球科学数据来更好地约束储层条件等局限性，与南非公正转型雄心相关的经济考虑也尚缺乏。为此，研究人员通过展示Govan Mbeki市新完成的综合地球科学填图成果来弥补这些空白，并将这些数据集整合以更好地约束拟议注入点下方的潜在储层条件，同时利用经济预测评估CCUS在南非公正转型框架中的潜在作用。论文发表在《Geoscience Frontiers》。

在技术方法方面，研究人员整合了多种基础地球科学数据集，包括比例尺至少为1:50,000的地面地质与构造填图，辅以Sentinel-2和雷达卫星遥感数据；钻孔信息包括地质测井曲线和短至长波高光谱信息；航空电磁测量以100、200和500 m线距采集电磁、磁性和放射性数据；在Leandra周边5 km²区域开展三维反射地震勘测，采用两台峰值输出12,000 lb的震源系统，扫描间隔30 s，使用5 Hz节点系统记录数据，炮点和接收点间距分别为25和30 m；矿物学和岩相学分析采用X射线衍射、扫描电子显微镜和透射光显微镜；主量和微量元素地球化学分析采用X射线荧光和电感耦合等离子体质谱；孔隙度和渗透率分别采用氦比重计和Hoek Cell测试确定，并辅以X射线计算机断层扫描；地应力表征基于地震震源机制解、流变学和岩石弹性破坏准则；经济预测采用指数平滑模型对煤炭部门历史数据进行预测至2050年，数据来源于Minerals Council和Eskom。

研究结果方面，在地层概述中，Leandra下方最古老地质序列包括约3300 Ma花岗质片麻岩，上覆约3200 Ma Witwatersrand超群West Rand亚群约300 m厚石英岩序列，之上为约2700 Ma Ventersdorp超群Klipriviersberg群约300 m厚火山岩组合，再上为约2500 Ma Transvaal超群约700 m厚序列，之上为约330–180 Ma Karoo超群约300 m厚序列，最上部为约180 Ma Karoo大火成岩省玄武质岩墙和岩床。在构造地质方面，Leandra位于Kaapvaal克拉通东部Witwatersrand和Mbombela地块接触带附近，代表古老构造缝合带，构造变形主要局限于Witwatersrand和Ventersdorp超群，至少存在两组主要断裂，即浅至中等倾斜逆断层和陡倾正断层与走滑断层，多呈ENE-WSW向。在区域航空地球物理方面，电磁勘测表明Leandra浅部地下地质总体导电而深部更具阻性，磁性勘测突出显示Leandra附近呈NW-SE向的相对正磁响应地质体，放射性勘测显示Leandra以北低响应而以南高响应；三维地震数据识别并表征了多条长度超过500 m的显著断裂面。在储层应力条件方面，可用地震震源机制表明研究区现今地应力状态以NW-SE向伸展为特征，主要处于正断层体制，储层条件下孔隙流体压力约14.72 MPa，滑动和膨胀趋势分析表明中等倾斜NE-SW向断裂和陡倾NW-SE向断裂可能分别以滑动和膨胀模式重新活化，这些断裂可能在高于储层孔隙流体压力约5 MPa的压力下重新活化。在岩石学方面，Ventersdorp超群矿物学显示约30%辉石、30%斜长石、20%石英，其余包括绿帘石、绿泥石和滑石，蚀变程度最高见于靠近下伏Witwatersrand超群接触带的最下部序列，序列总体孔隙度和渗透率较低，氦比重计结果显示最大孔隙度约5%，Hoek Cell渗透率分析表明样品在至少3500 kPa压力下不渗透；主量和微量元素地球化学分析表明Leandra下方Ventersdorp超群可归入玄武岩至安山岩范围，显示低Nb/Yb和La/Yb浓度，并表现出轻稀土元素较大富集。在经济预测方面，预测表明煤炭总产量到2050年可增至约350×10⁶ t/yr，煤炭销售总值到2050年可增至约R 4000亿（南非兰特）每年，煤炭行业总就业人数到2050年可增至约175,000人，与燃煤发电相关的二氧化碳排放总量到2050年可达约200×10⁶ t/yr。

在储层综合部分，储层适宜性评估表明Leandra下方约1000 m深度以下至少存在两个潜在封存储层，包括至少300 m厚的Ventersdorp超群镁铁质火山岩序列和Witwatersrand超群石英岩中更厚的裂隙含水层，这些序列在Leandra周边至少5 km²范围内侧向延伸且具有可观封存体积，碳封存可通过Ventersdorp超群内矿物碳化和Witwatersrand超群承压咸水内封存实现；火山岩储层因矿物学和岩相学表明至少含30%反应性镁铁质硅酸盐矿物而被认为高度适宜；反射地震数据表明渗透率局限于承压裂隙，大量咸水证明这些裂隙充当渗透通道；储层应力模拟表明若施加压力保持在孔隙流体压力以上5 MPa以下，断裂重新活化可能有限。储层封存估算仅考虑Ventersdorp超群玄武岩序列，计算表明其理论地下碳封存容量约为140,000至3,500,000 t，考虑1%至5%的封存效率和10%–50%的反应性矿物可用性，至少1,000,000 t的封存容量是可能的。

讨论部分总结表明，Leandra地区若干基础地球科学数据集的整合表明该区域可支持人为二氧化碳封存，钻孔信息与三维地震数据整合进一步表明联合封存方法可行，可靶向Witwatersrand超群承压深部咸水和Ventersdorp超群反应性镁铁质序列；地应力计算表明先存断裂网络提供了支持深部碳封存的渗透网络；Ventersdorp超群矿物学和岩石学评估表明这些序列具有可观浓度的镁铁质硅酸盐矿物，可实现注入二氧化碳的潜在快速矿化；地质序列厚度达100至300 m并在Leandra周边延伸数公里，表明有超过1×10⁹ m³的地质材料可用于碳封存；储层计算表明仅Leandra周边封存体积至少为1×10⁶ t，进一步的区域地质勘探包括针对性钻探将改善碳封存估算，尤其是更深的Witwatersrand超群；Witwatersrand和Ventersdorp超群序列在南非极为广泛，意味着支持Leandra站点地下碳封存的发现可在国家尺度上显著放大。经济建模表明到2050年煤炭产量可能增加约75%至约350×10⁶ t/yr，相关煤炭销售约R 4000亿每年，与预计燃煤发电相关的人为二氧化碳排放估计到2050年仍将保持在约200×10⁶ t/yr；这些预测表明南非到2050年可开采总计约9×10⁹ t煤炭，不会耗尽南非总煤炭储量，且该煤炭量可贡献至少16×10⁶ GWh的发电量；地质CCUS技术的开发和实施可能代价高昂，需要适当的融资机制支持初始CCUS部署成本，煤炭部门的持续收入和相关碳减排措施的组合可能提供可行融资机制；南非已实施碳税，大型碳封存储层的可用性可能支持与现有碳税框架相关的碳信用和排放交易机制的扩展。研究结论部分翻译如下：本文提出了新的综合地球科学数据集，为Govan Mbeki市Leandra镇周边的碳封存提供信息。结果表明该区域仅玄武岩序列就可能支持注入至少1×10⁶ t人为二氧化碳。重要的是，Leandra下方的地质在南非北部大部分地区广泛分布，表明区域尺度上具有显著封存潜力。因此，CCUS技术可在南非预期的公正转型框架内予以考虑。满足初始CCUS投资成本可通过与煤炭-气候变化关系相关的机制实现，如扩大的碳税和/或采用碳交易计划。然而，CCUS试点开发对于生成支持政策和监管发展所需的证据至关重要。试点开发应包括储层注入性测试和相关数值模拟。若干额外因素需要进一步评估，包括基础设施需求、长期环境监测和公众接受度。