瑞典镁铁质储层岩石中的CO2封存：早期水岩相互作用过程中溶解与碳酸盐化的控制因素

《Carbon Capture Science & Technology》：Carbon dioxide storage in mafic reservoir rocks in Sweden: Controls on dissolution and carbonation during early water-rock interaction

　　

本研究考察了代表瑞典潜在地下CO₂储层的镁铁质岩石（包括一种辉绿岩、一种辉长岩和一种变玄武岩）的早期不一致溶解行为和碳矿化潜力。批实验表明，辉绿岩显示出最高的元素释放，其次为辉长岩和变玄武岩。辉绿岩中的溶解主要受橄榄石和普通辉石控制，并伴有拉长石的贡献，而辉长岩溶解以普通辉石为主，其次为斜长石。在变玄武岩中，元素释放反映了多个物相（包括辉石、绿泥石、葡萄石和奥长石）的贡献，没有单一主导物相。这些模式与早期水岩相互作用过程中的不一致溶解一致。碳酸盐化实验表明所有样品中均形成了次生含碳物相。高铁沉淀表明有利于铁碳酸盐形成的条件，而热重分析支持了水合镁碳酸盐以及含铁和含钙碳酸盐的存在。这些结果证明了有利的溶解行为和碳矿化潜力，支持了对所研究岩性的进一步评估。反应性主要受反应性原生矿物的可用性和蚀变程度控制。然而，成功实施还取决于对地下物理条件的充分了解，特别是裂缝网络和渗透率，这对于维持CO₂溶解注入储层过程中的流体循环至关重要。

**论文解读**

**研究背景与科学问题**

全球范围内，实现温室气体（尤其是CO₂）负排放对于各国气候目标至关重要。瑞典计划在2045年前实现净零排放，主要通过减排及生物能源碳捕集与封存（BECCS）和直接空气碳捕集与封存（DACCS）等补充措施。然而，瑞典目前仅允许在领海和专属经济区海底下进行地质碳封存，陆上工业规模封存政策尚在制定中，亟待研究支持。传统上，CO₂封存研究集中于近海沉积盆地，但近期评估显示欧洲2030年CO₂封存容量可能无法满足捕集需求，且封存项目高度集中于北海，许多排放密集型区域缺乏可及容量。因此，评估包括补充传统沉积储层的替代方案在内的本地和区域尺度可行地质封存方案至关重要。

瑞典的地质条件提供了额外机遇，特别是通过地下矿物碳酸盐化实现永久封存。近期研究表明，瑞典多个镁铁质岩体具有有利的矿物学和地球化学特征。然而，这些研究缺乏对早期水岩相互作用过程中溶解与碳酸盐化行为的深入实验验证。本研究旨在评估瑞典代表性镁铁质岩石样品在加压CO₂水溶液体系中的行为，验证富含碳酸氢盐溶液促进岩石溶解及随后形成稳定含碳矿物的潜力，以推进对瑞典陆上碳封存潜力的理解，为决策和立法提供数据支持。论文发表在《Carbon Capture Science》。

**研究人员开展的研究与主要结论**

研究人员选取了瑞典三个镁铁质岩体中的代表性样品——辉绿岩（SDol-5）、辉长岩（KGb-1）和变玄武岩（?Mb-1），开展了批式溶解与碳酸盐化实验。结果表明，辉绿岩显示出最高的元素释放速率和总溶解离子浓度，其次为辉长岩和变玄武岩，这与理论矿物碳酸盐化潜力排序一致。溶解行为受矿物组成和蚀变程度控制：辉绿岩的溶解主要受橄榄石和普通辉石控制，辉长岩以普通辉石为主，变玄武岩则涉及多种物相。碳酸盐化阶段，所有样品均形成含碳物相，铁沉淀率最高，支持铁碳酸盐形成；热重分析提示存在水合镁碳酸盐及铁、钙碳酸盐。该研究证实了所研究岩性（尤其是辉绿岩和辉长岩）具有有利的溶解行为和碳矿化潜力，但成功实施取决于裂缝网络和渗透率等地下物理条件。

**关键技术与方法**

研究人员首先通过野外采样获取新鲜岩石样品，并利用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行矿物学表征，结合全岩地球化学分析（数据来自先前研究Crafoord et al., 2025）。采用BET法测定比表面积。设计并构建了自制加压反应器，在10 barg CO₂压力下进行批式溶解实验，通过分光光度法监测硅酸浓度，并利用电感耦合等离子体扇形磁场质谱（ICP-SFMS）分析溶出元素。溶解后，将上清液转移至封闭容器中，在37°C、300 rpm下振荡48小时进行碳酸盐化，通过ICP-SFMS、SEM-EDS和热重分析（TGA）表征沉淀物。所有实验均设置重复。

**研究结果**

**3.1 岩石表征**

**3.1.1 地质样品的化学组成比较**：通过矿物学分析，各样品均以斜长石为主，但成分不同。?Mb-1以钠长石为主，SDol-5和KGb-1含更富钙的斜长石（拉长石至倍长石）。斜长石组成差异与全岩地球化学一致（?Mb-1 CaO最低，Na₂O最高）。普通辉石在SDol-5和KGb-1中含量较高，在?Mb-1中大量被次生矿物替代。KGb-1显示绿片岩相变质，?Mb-1显示葡萄石-绿纤石相变质。这些结果表明，SDol-5蚀变程度最低，保留最多原生反应性矿物；KGb-1部分蚀变；?Mb-1蚀变程度最高。

**3.1.2 理论矿物碳酸盐化潜力**：基于反应性硅酸盐矿物丰度计算的理论CO₂封存潜力排序为：SDol-5（12.8 wt%）> KGb-1（11.0 wt%）> ?Mb-1（6.6 wt%），主要由橄榄石和普通辉石等含Mg、Fe、Ca矿物控制。

**3.1.3 比表面积**：BET比表面积排序为：?Mb-1（5.74 m2/g）> SDol-5（1.88 m2/g）> KGb-1（1.16 m2/g）。?Mb-1的高值归因于细粒火山结构和绿泥石等蚀变矿物。

**3.1.4 样品中常见矿物的溶解化学计量**：列出了酸性条件下主要矿物（橄榄石、斜长石、普通辉石、绿泥石、葡萄石、阳起石、绿帘石）的理论溶解反应，用于解释观测到的溶液化学。

**3.2 溶解与碳酸盐化的实验结果**

**3.2.1 样品SDol-5**：溶解168小时，Si终浓度1.97 mM，溶出元素浓度顺序Fe>Mg>Na>Si>Ca。碳酸盐化阶段，沉淀率（P_y,i）顺序为P_y,Na < P_y,Mg < P_y,Ca < P_y,Si < P_y,Fe（17.7%-95.3%）。SEM-EDS检出Fe、O、C、Ca、Mg，暗示含铁碳酸盐和钙碳酸盐。DTG曲线显示6个峰，总质量损失30.8%，提示水合镁碳酸盐（如三水菱镁矿）、菱铁矿和方解石/白云石。

**3.2.2 样品KGb-1**：溶解172小时，Si终浓度0.85 mM，溶出元素浓度Fe>Ca>Mg>Si>Na（0.31-3.42 mM）。碳酸盐化阶段，Mg和Na无明显沉淀，P_y,Si < P_y,Ca < P_y,Fe（22.5%-99.0%）。SEM-EDS显示Fe、C、Si、O、Mg，以铁氧化物和硅酸盐为主，部分区域富C暗示铁镁碳酸盐。DTG曲线显示3个峰，总质量损失37.8%，提示水合镁碳酸盐和铁镁碳酸盐。

**3.2.3 样品?Mb-1**：溶解312小时，Si终浓度0.85 mM，溶出元素浓度Mg>Si>Ca>Na>Fe（0.25-1.96 mM）。碳酸盐化阶段，P_y,Na < P_y,Si < P_y,Mg < P_y,Ca < P_y,Fe（7.3%-99.0%）。SEM-EDS检出Ca、Mg、O、C、Si，无Fe，暗示含碳物相和硅酸盐。DTG曲线显示2个峰，总质量损失46.6%，提示镁钙碳酸盐。

**讨论与结论**

**讨论部分总结**：溶解行为主要受矿物组成和蚀变程度控制，而非比表面积。辉绿岩的高反应性源于橄榄石和普通辉石的快速溶解，辉长岩中普通辉石主导，变玄武岩中葡萄石等次生矿物贡献有限。碳酸盐化阶段，铁沉淀率最高，可能与体系pH条件及铁碳酸盐形成热力学有利有关；镁碳酸盐沉淀受pH升高促进。蚀变程度影响原生反应性矿物的保存：辉绿岩保留最多原生矿物，反应性最强；变玄武岩蚀变程度高，Ca、Mg释放受限。侵入岩（辉绿岩、辉长岩）虽孔隙度低，但有利矿物学结合裂缝网络或工程改造具碳矿化潜力。研究局限性包括：溶解速率未考虑比表面积动态变化；碳酸盐化步骤在非原位条件下进行，可能加速沉淀；沉淀物结晶度低，XRD无法可靠鉴定，DTG峰可能重叠。

**结论部分翻译**：对瑞典三个选定地点的岩石进行了研究，以评估其溶解行为和矿物碳酸盐化潜力。在所研究的岩性中，辉绿岩样品（SDol-5）表现出最高的总体溶解速率，其次为辉长岩（KGb-1）和变玄武岩（?Mb-1）样品。SDol-5的溶解行为解释为主要受橄榄石和普通辉石溶解控制，其次为拉长石。在KGb-1中，普通辉石似乎是溶解的主要贡献者，其次为拉长石。?Mb-1的溶解行为归因于辉石（少量）、绿泥石、葡萄石和奥长石的溶解，尽管各矿物相相对贡献无法从现有数据中确定。在碳酸盐化阶段，沉淀数据和固相分析均表明形成了含碳物相。在所有测试样品中，铁具有最高的沉淀率，这可能与体系pH条件及随之形成的含铁碳酸盐有利性有关。此外，DTG分析显示质量损失与含水镁碳酸盐以及铁和钙碳酸盐相的存在一致。总体而言，本研究证明了所研究岩性（尤其是辉绿岩和辉长岩）具有有利的溶解行为和碳酸盐化潜力。因此，侵入岩不应在目标CO₂储层选择中被忽视，其地球化学适宜性似乎取决于原生反应性矿物的保存和蚀变程度。实现流体循环的裂缝系统是另一个关键控制因素。未来对这些岩体的评估和持续分析应优先确定长期溶解和碳酸盐化速率，同时评价储层性质，包括几何结构、裂缝网络和渗透率。