巖石固碳：氣候問(wèn)題的終極方案？

1.神奇山谷

 

    在阿曼的哈杰爾山脈中，有一道名為瓦迪納瓦尼（Wadi Lawayni）的荒漠山谷，它的位置十分偏遠(yuǎn)。要到達(dá)那里，游客不僅要在一條逐漸消失的泥土路上行走，還需要循著汽車(chē)在砂石上留下的輪胎痕跡繼續(xù)向前。在那里，藍(lán)色調(diào)的水塘中偶爾有地下水涌入，水塘里充滿了堿鹽。當(dāng)?shù)氐牡叵滤羞€富含氫氣，當(dāng)你把水從井里打出來(lái)時(shí)，還會(huì)聽(tīng)見(jiàn)水中的氣體像香檳一樣嘶嘶作響。

 

    山谷里稀疏地生長(zhǎng)著一些帶刺的灌木，四周是數(shù)百米高的山峰，山峰表面的棕色巖石因?yàn)轱L(fēng)化作用顯得有些褪色。山體的巖石中包含著一些不同尋常的礦物，因此無(wú)法在地表保持化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。它們或許形成于地下數(shù)萬(wàn)米深的地幔（地球的中間層，人類(lèi)尚未直接觀察過(guò)），這個(gè)位置比目前任何開(kāi)鉆的油井或金剛石礦都要深。大約8000萬(wàn)年前，這些巖石在一次板塊構(gòu)造事件中被推向了地表。

 

    現(xiàn)在，由于暴露在空氣中，它們正經(jīng)歷著一場(chǎng)悄無(wú)聲息的變化。

 

    彼得·凱萊門(mén)認(rèn)為，這種奇特的地質(zhì)現(xiàn)象可能有助于人類(lèi)應(yīng)對(duì)氣候變化。2018年1月的一個(gè)下午，就在瓦迪納瓦尼的山谷中，他向我介紹了整個(gè)宏偉的計(jì)劃。100米開(kāi)外的帳篷下是臨時(shí)搭建的室外實(shí)驗(yàn)室，里面有桌子、化學(xué)試劑和專(zhuān)門(mén)用于檢查巖石樣品的掃描儀?，F(xiàn)年65歲的凱萊門(mén)是美國(guó)哥倫比亞大學(xué)拉蒙特-多爾蒂地球觀測(cè)站的地質(zhì)學(xué)家，他留著一頭灰色的短發(fā)，皮膚因?yàn)閹资甑膽敉夤ぷ鞫鴷竦明詈?。凱萊門(mén)轉(zhuǎn)向我們身后的巖壁，指出那里就是由風(fēng)化后的地幔巖石——棕色的橄欖巖——構(gòu)成的。降雨后，雨水就會(huì)滲入巖石裂縫，將溶解其中的氧氣和二氧化碳帶入巖石。當(dāng)巖石與水和氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，就會(huì)形成新的礦物。

 

    這些礦脈像樹(shù)根一樣，一直延伸到巖石深處。我們身后的巖石上就布滿了這類(lèi)縱橫交錯(cuò)的乳白色礦脈。凱萊門(mén)指著一處1厘米寬的碳酸鎂脈說(shuō)：“這其中一半都是二氧化碳。”當(dāng)我用一塊鵝卵石敲擊它時(shí)，它發(fā)出了玻璃般清脆的聲音。

 

    凱萊門(mén)和同事估計(jì)：在阿曼，裸露的地幔巖層每年都會(huì)吸收并固化10萬(wàn)噸的二氧化碳，這相當(dāng)于每立方米巖石吸收約1克的溫室氣體。“如果你把這個(gè)過(guò)程增強(qiáng)100萬(wàn)倍，那么每立方千米的巖石每年就能吸收10億噸二氧化碳。”凱萊門(mén)說(shuō)，他認(rèn)為這一點(diǎn)可以通過(guò)工程手段實(shí)現(xiàn)。阿曼擁有約15000立方千米的地幔巖石，容量充足。凱萊門(mén)的計(jì)劃包括向下鉆探數(shù)千米，在到達(dá)溫度更高的巖層后，向其中泵入充滿二氧化碳（從空氣中抽?。┑暮Ｋ源思涌旆磻?yīng)的速度。

 

    這類(lèi)裸露的地幔巖石不僅出現(xiàn)在阿曼，在美國(guó)（阿拉斯加州和加利福尼亞州）、加拿大、新西蘭、日本和其他地方也存在。凱萊門(mén)估計(jì)，包括阿曼在內(nèi)，這樣的巖石能夠儲(chǔ)存60萬(wàn)億~600萬(wàn)億噸二氧化碳，大約是自1850年以來(lái)人類(lèi)向大氣中排放的二氧化碳總量的25~250倍。凱萊門(mén)說(shuō)，合理利用這樣的巖石倉(cāng)庫(kù)可以帶來(lái)巨大的影響。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）2019年的一份報(bào)告指出，除非人類(lèi)在2100年以前以某種方式從大氣中去除1000億~1萬(wàn)億噸二氧化碳，否則無(wú)法將全球變暖控制在1.5℃以內(nèi)（普遍認(rèn)為這樣可以避免災(zāi)難性的氣候變化）。如果這個(gè)計(jì)劃從2050年開(kāi)始，就意味著我們需要每年從大氣中去除20億~200億噸二氧化碳。

 

    為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們必須建設(shè)大量的全球性基礎(chǔ)設(shè)施，從大氣中提取二氧化碳，并將其通過(guò)深井注入地幔巖石中?？梢哉f(shuō)，這個(gè)過(guò)程剛好與開(kāi)采化石燃料的過(guò)程（化石燃料燃燒后會(huì)將二氧化碳排放到空氣中）相反，呈現(xiàn)出了一種鏡像般的對(duì)應(yīng)。在凱萊門(mén)看來(lái)，阿曼就位于這一龐大而耀眼的新興產(chǎn)業(yè)的中心。

 

    這種“鏡像”基礎(chǔ)設(shè)施能否奏效取決于科學(xué)家在阿曼開(kāi)展的調(diào)查。當(dāng)我們?cè)跇?shù)下聊天時(shí)，凱萊門(mén)的團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備向瓦迪納瓦尼的谷底開(kāi)鉆。他們會(huì)提取400米的巖芯，借此研究在我們的腳下深處的化學(xué)反應(yīng)。遠(yuǎn)處一臺(tái)轟隆作響的挖溝機(jī)正在挖坑，為鉆孔做準(zhǔn)備。

 

    在2019年和2020年，凱萊門(mén)的團(tuán)隊(duì)相繼發(fā)表了一些研究，清晰地展現(xiàn)了如何增強(qiáng)固碳反應(yīng)。今年5月底，有一支新的施工團(tuán)隊(duì)會(huì)到瓦迪納瓦尼山谷，測(cè)試在地幔巖石深處注入并固定二氧化碳的過(guò)程。這是有史以來(lái)第一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)，如果成功，這將是阿曼甚至整個(gè)阿拉伯半島成為應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)的重要工業(yè)中心的開(kāi)始。

 

2.加快反應(yīng)

 

    如今，越來(lái)越多的研究表明，實(shí)現(xiàn)“負(fù)碳排放”已變得非常緊迫。科學(xué)家也提出了各種策略：重新種植森林或者向海洋施肥，這樣可以增加樹(shù)木或浮游植物的數(shù)量，從而利用光合作用吸收二氧化碳；改善農(nóng)田管理，從而在收割后讓作物吸收的二氧化碳更多地保留在土壤中；利用“碳捕獲”設(shè)備過(guò)濾發(fā)電廠或工廠煙囪中的二氧化碳；在世界各地建造“直接空氣捕獲”器，不停地從大氣中捕獲二氧化碳。

 

    捕獲后的二氧化碳必須被永久封存。我們已經(jīng)嘗試過(guò)一些方法。比如，在挪威海岸附近的斯萊普納氣田，隨著天然氣一同開(kāi)采出來(lái)的二氧化碳會(huì)被再次處理，注入海床以下1000米處的沉積巖（由砂巖等顆粒狀沉積物構(gòu)成）儲(chǔ)層中。這個(gè)項(xiàng)目始于1996年，每年可儲(chǔ)存約100萬(wàn)噸二氧化碳。但這種方法依然有問(wèn)題，二氧化碳幾乎不與沉積巖發(fā)生反應(yīng)，它主要是滲入了巖石的孔隙中。這讓一些科學(xué)家擔(dān)心，二氧化碳是否會(huì)逐漸從空隙中泄漏出來(lái)。

 

    20世紀(jì)90年代，凱萊門(mén)還在從事另一項(xiàng)研究。他曾在阿曼偏遠(yuǎn)的山谷中扎營(yíng)數(shù)周，試圖測(cè)繪巖漿從更深、更熱的地幔層來(lái)到地表時(shí)所經(jīng)過(guò)的通道。這些巖漿在地表凝固后會(huì)形成玄武巖，這是一種堅(jiān)硬、致密的深色巖石，大部分海洋地殼都是由它們構(gòu)成的。2004年，凱萊門(mén)從馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所轉(zhuǎn)到了拉蒙特-多爾蒂地球觀測(cè)站，當(dāng)時(shí)他遇到了地球化學(xué)家于爾格·M·馬特（現(xiàn)就職于英國(guó)南安普敦大學(xué)）和物理學(xué)家克勞斯·S·拉克納（現(xiàn)任美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)負(fù)碳排放中心主任）。馬特和拉克納正在嘗試一種新的方法，他們希望將二氧化碳注入富含鎂和鈣的巖石中，這種巖石的化學(xué)反應(yīng)活性比沉積巖高，因此很容易將氣體轉(zhuǎn)化為固體礦物——這樣的過(guò)程也被稱為“礦物碳酸化”。

 

    阿曼的地幔橄欖巖中有兩種富含鎂和鈣的礦物：橄欖石和輝石。這些巖石曾被碳酸鹽脈穿過(guò)，顯然它們?cè)谶^(guò)去吸收了二氧化碳。但一些研究人員認(rèn)為，這樣的過(guò)程需要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)年。凱萊門(mén)此前沒(méi)有涉足這個(gè)領(lǐng)域，但他懷疑這個(gè)過(guò)程是否真的如此緩慢。在阿曼工作期間，他經(jīng)常路過(guò)卡夫法山谷中的一處堿性泉水。從地下涌出的泉水富含鈣離子，它會(huì)不斷與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，在水池表面形成一層光滑潔白的碳酸鈣層。凱萊門(mén)注意到，當(dāng)碳酸鈣薄膜被風(fēng)或雨打碎時(shí)，新的薄膜在一天之內(nèi)就又形成了。凱萊門(mén)說(shuō)：“對(duì)于地質(zhì)學(xué)家來(lái)說(shuō)，一天之內(nèi)就能發(fā)生的事情都是超音速的。”

 

    既然地表上存在如此迅速的過(guò)程，凱萊門(mén)想知道，地下碳酸化礦脈的形成速度是不是也比此前認(rèn)為的更快。2007年，當(dāng)他再次前往阿曼時(shí)，收集了許多帶有碳酸鹽巖脈的樣本?；氐窖芯克?，團(tuán)隊(duì)首先測(cè)定了礦物的形成時(shí)間。“我原以為這些礦脈會(huì)有9000萬(wàn)年的歷史，”凱萊門(mén)說(shuō)，“但其實(shí)它們都還不到5萬(wàn)年。”有些甚至只有6000年的歷史。阿曼的地幔巖石不僅在遙遠(yuǎn)的過(guò)去吸收二氧化碳，直到今天仍然如此。更重要的是，吸收的速度可能要比凱萊門(mén)起初認(rèn)為的快10000倍。

 

    在2008年的另一次考察中，凱萊門(mén)和馬特計(jì)算出這些礦物約占當(dāng)?shù)氐乇砀浇鼛r石體積的1%。這意味著整個(gè)地區(qū)每年能夠自然固化10000~100000噸的二氧化碳，相當(dāng)于2000~20000輛汽車(chē)的年排放量。雖然這個(gè)數(shù)量不會(huì)對(duì)氣候變化產(chǎn)生太大影響，卻讓這幾位科學(xué)家有了新的想法，他們開(kāi)始考慮能不能通過(guò)加快反應(yīng)效率，讓這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生全球性的影響。

 

    在接下來(lái)的4年里，這兩名研究人員每年都會(huì)返回阿曼。他們從井中抽取水樣，追蹤水在地下流動(dòng)時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)雨水滲入地下裂縫時(shí)，溶解在雨水中的二氧化碳會(huì)與鎂離子結(jié)合，形成碳酸鎂礦脈，直到水中的少量氣體被迅速耗盡。在雨水流動(dòng)的過(guò)程中，來(lái)自同一地幔橄欖巖的鈣離子會(huì)溶解在水中。他們認(rèn)為，這些富含鈣的水最終以泉水的方式重新涌出，就像在卡夫法山谷看到的那樣。在那里，鈣離子與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，形成了凱萊門(mén)看到的碳酸鈣薄膜，甚至是巨大的鈣華階地，這些鈣華幾乎散布在整個(gè)阿曼。

 

    凱萊門(mén)和馬特那時(shí)還不知道人類(lèi)可以在多大程度上加速這個(gè)過(guò)程。這取決于水循環(huán)的速度和深度。為了回答這個(gè)問(wèn)題，他們需要深入地下。

 

3.地下深處的水

 

    2018年1月，凱萊門(mén)和馬特對(duì)瓦迪納瓦尼山谷的深層巖石做了一次重要的勘查。

 

    8只駱駝在安靜地咀嚼著灌木，絲毫不關(guān)心安裝在一輛大型工作車(chē)后的鉆頭旋轉(zhuǎn)著鉆入山谷時(shí)發(fā)出的轟隆聲。纜繩已經(jīng)從洞里吊出了總共9米長(zhǎng)的巖芯。每段巖芯有數(shù)米長(zhǎng)，直徑和棒球棒相當(dāng)。它們按照順序擺放在折疊桌上，接受幾位科學(xué)家的檢查。“前幾米的巖芯中有很多礦物碳酸化的跡象。”凱萊門(mén)沿著折疊桌走動(dòng)時(shí)說(shuō)道。隨著深度稍微增加，巖芯的顏色發(fā)生了顯著的變化。

 

    當(dāng)?shù)蒯r石位于地下深處時(shí)，它們呈現(xiàn)出深綠色。這是因?yàn)樵谕耆珱](méi)有氧氣、水和二氧化碳，溫度超過(guò)1300℃的環(huán)境中，形成了富含鎂和鈣的橄欖石和輝石礦物。當(dāng)板塊構(gòu)造將這些巖石帶到地表時(shí)，礦物就會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的變化經(jīng)歷一波又一波的化學(xué)反應(yīng)。頂部數(shù)米的巖石帶有淡淡的橙色，表明在最靠近地表的巖層中，水?dāng)y帶的氧氣與礦物中的鐵結(jié)合，讓巖石“生銹”了。再往下幾米，這些顏色就消失了，說(shuō)明滲透到那里的溶解氧已經(jīng)耗盡。此時(shí)，灰色的巖石中布滿了無(wú)數(shù)細(xì)如發(fā)絲的青綠色細(xì)脈，這是一種叫作蛇紋石的礦物，由水分子附著在鎂和鐵原子上形成。此外，這個(gè)過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生從地下水中冒出的氫氣。

 

    與這些青綠色的礦脈縱橫交錯(cuò)的是白色的碳酸鹽礦脈，它們由二氧化碳附著在鎂和鈣離子上形成。這些白色礦脈一開(kāi)始約有手指寬，但到了地下10米時(shí)，它們變得纖細(xì)而稀少，這表明水在向下滲透時(shí)，二氧化碳也被逐漸消耗掉了。

 

    接下來(lái)的幾天，鉆探工作依然在進(jìn)行。工人將此前的巖芯裝入板條箱，為即將擠滿桌子的數(shù)十個(gè)新巖芯讓路。400米深處的巖石上仍然可以見(jiàn)到細(xì)小的蛇紋脈絡(luò)，說(shuō)明雨水至少已經(jīng)滲透到這個(gè)深度了。

 

    在接下來(lái)的3年里，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室分析樣本，確定巖石與二氧化碳和水反應(yīng)的速度。到2021年年初，我已經(jīng)與馬特交談了幾次。他對(duì)一種在所有巖芯中都能看到的現(xiàn)象感到震驚：“只要深度超過(guò)100米，礦脈或裂縫中都沒(méi)有任何碳酸鹽礦物的蹤跡了。”不知出于什么原因，二氧化碳沒(méi)能繼續(xù)深入巖石。

 

    在2019年的一篇論文中，凱萊門(mén)和馬特以及馬特當(dāng)時(shí)的學(xué)生阿梅莉亞·?？颂?middot;萬(wàn)科倫（現(xiàn)任職于加利福尼亞州立大學(xué)薩克拉門(mén)托分校）估計(jì)，鉆孔前50米的地下水來(lái)自降雨滲入，已經(jīng)存在了4~40年。但是再往下的巖石中，水在其中已經(jīng)至少存在了20000年。在2020年發(fā)表的一篇論文中，馬特和法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)的熱拉爾·洛茲（論文的共同作者）通過(guò)向兩個(gè)相距15米的深鉆孔注水來(lái)觀測(cè)水穿過(guò)巖石的過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)，水在地下100米以上的地方相對(duì)容易移動(dòng)，但在100米以下，滲透率就下降了1000倍。

 

    這些觀察結(jié)果表明，在阿曼，地幔巖石的礦物碳酸化速度受到一個(gè)主要因素的制約：雨水無(wú)法滲透到100米以下的地方。阿曼的地幔巖石平均厚約3000米。“也就是說(shuō)，深處巖石有著巨大的礦物碳酸化潛力。”馬特說(shuō)，前提是水能夠以某種方式到達(dá)那里并在巖石中快速循環(huán)，并且還需要提供穩(wěn)定的二氧化碳供應(yīng)。

 

    為了克服這樣的瓶頸，可以利用“直接空氣捕集器”，這種設(shè)備會(huì)用風(fēng)扇讓空氣通過(guò)化學(xué)吸附劑，吸附劑可以吸收并進(jìn)一步濃縮二氧化碳。后續(xù)設(shè)備可以對(duì)二氧化碳?xì)怏w加壓，將其送入巖石鉆孔。在地下1000~3000米的地方，氣體將與水（通過(guò)單獨(dú)的管道注入）混合。接著，溶解有二氧化碳的水會(huì)被送入周?chē)牡蒯r石中。在通過(guò)巖石的孔隙滲透后，水流會(huì)抵達(dá)最遠(yuǎn)可達(dá)1000米開(kāi)外的第二個(gè)孔中，這個(gè)孔就是所謂的“返回通路”。此時(shí)耗盡二氧化碳的水會(huì)通過(guò)通道返回地表，并再次與二氧化碳混合。

 

    在地下3000米處，巖石的溫度可以達(dá)到100℃，這些熱量會(huì)加速礦物碳酸化反應(yīng)。反應(yīng)本身產(chǎn)生的額外熱量也有助于推動(dòng)溫水循環(huán)到達(dá)返回通路。

 

    2020年，凱萊門(mén)和萬(wàn)科倫發(fā)表的研究表明，將二氧化碳濃度略高的水注入地下3千米，就可以讓二氧化碳礦化的速度增加數(shù)千倍。按照這個(gè)速度，在大約9個(gè)足球場(chǎng)大小的區(qū)域內(nèi)，單口注入井每年可以捕獲多達(dá)50000噸二氧化碳——與阿曼整個(gè)自然系統(tǒng)吸收的二氧化碳量相當(dāng)。10年后，這口井就可以捕獲50萬(wàn)噸二氧化碳。

 

    在瓦迪納瓦尼山谷提取巖芯的科學(xué)家還沒(méi)有將二氧化碳注入地幔巖石中。但幾年前，冰島的科學(xué)家曾嘗試將二氧化碳注入另一種化學(xué)性質(zhì)與地幔相似的巖石中。正是這次嘗試的成功為即將在阿曼開(kāi)展的項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)。

 

4.壓裂巖石

 

    在格陵蘭島和挪威之間的北大西洋，有一處深藏在數(shù)百千米下的地幔熱點(diǎn)。要知道，來(lái)自地核的熱量會(huì)讓深處的巖石變得柔軟，這些“部分熔融”的巖漿就會(huì)通過(guò)地下裂縫向海底涌出。5000萬(wàn)年來(lái)，涌出的巖漿在凝固后會(huì)形成灰黑色的玄武巖——這也是一種源自地幔的巖石，還是地殼的主要成分之一。不斷堆疊的玄武巖高原在海底變得越來(lái)越高，直到從海洋中露出，形成了今天的冰島。玄武巖結(jié)構(gòu)致密，上面布滿了小氣孔。玄武巖的鎂和鈣含量雖然低于母巖，但仍高于地球表面的大多數(shù)巖石。

 

    2005年，拉蒙特-多爾蒂地球觀測(cè)站的馬特、拉克納和華萊士·布勒克確信，這些玄武巖適合用于二氧化碳的礦化。于是，布勒克（已于2019年去世）與冰島雷克雅未克能源公司合作，在冰島的赫利舍迪地?zé)岚l(fā)電廠啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“Carbfix”的二氧化碳注入實(shí)驗(yàn)。從2012年開(kāi)始，機(jī)器將二氧化碳和硫化氫氣體（地?zé)釄?chǎng)的天然產(chǎn)物）從工廠的廢氣中分離出來(lái)，然后利用礦井將它們注入地下400~800米深的玄武巖中。

 

    在8個(gè)月的時(shí)間里，工程師注入了約250噸二氧化碳。在附近礦井進(jìn)行的監(jiān)測(cè)表明，在兩年內(nèi)，95%的二氧化碳被固定在了碳酸鹽礦物中。從那時(shí)起，該項(xiàng)目就一直在運(yùn)行，每年儲(chǔ)存約10000噸二氧化碳。2019年，Carbfix分拆出來(lái)成為一家獨(dú)立公司，它的目標(biāo)是到2030年時(shí)，將10億噸二氧化碳固定在玄武巖中。

 

    協(xié)助領(lǐng)導(dǎo)這次實(shí)驗(yàn)的馬特認(rèn)為，結(jié)果驗(yàn)證了他們的想法。他說(shuō)，一開(kāi)始，“碳捕獲界認(rèn)為我們瘋了，”因?yàn)槿藗冋J(rèn)為玄武巖的多孔性還不足以讓水滲透通過(guò)。在那之后，另一個(gè)來(lái)自美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)也利用玄武巖成功礦化了二氧化碳，并成立了瓦盧拉玄武巖示范點(diǎn)。

 

    在固化二氧化碳方面，地幔巖石或許比玄武巖更有效，因?yàn)榍罢吆械幕钚枣V和鈣是后者的3倍。1噸地幔橄欖巖可以固化多達(dá)500千克的二氧化碳，而一噸玄武巖大約只能固化170千克二氧化碳。

 

    但并不是所有人都認(rèn)為地幔巖石，甚至玄武巖是完美的解決方案。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的水文地質(zhì)學(xué)家克里斯托弗·扎哈斯基表示，盡管注入沉積巖的二氧化碳可以遷移，但它們?nèi)匀荒軌蚍€(wěn)定地儲(chǔ)存在那里，因?yàn)閺?qiáng)大的毛細(xì)作用力能夠?qū)⑺鼈兝г诘V物顆粒之間微小的空間中。即使上方的巖石出現(xiàn)裂縫，二氧化碳也不太可能泄漏出來(lái)。

 

    扎哈斯基仍然認(rèn)為，在玄武巖和地幔巖石中儲(chǔ)存二氧化碳具有重要優(yōu)勢(shì)。地幔巖石的挑戰(zhàn)在于它們的孔隙空間遠(yuǎn)小于沉積巖。“因此你需要更多的井才能更均勻地向地下注水。”凱萊門(mén)多年來(lái)也一直在解決這個(gè)問(wèn)題。他認(rèn)為有一個(gè)解決方案：如果選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ㄏ虻叵伦⑷胍后w，化學(xué)反應(yīng)本身就可能在巖石中產(chǎn)生裂縫，從而讓水通過(guò)。

 

    當(dāng)我在阿曼時(shí)，凱萊門(mén)和我沿著一條狹窄的溪流往下走，最后停在一塊汽車(chē)大小、上面布滿碳酸鹽脈的巖石旁邊。曾經(jīng)緊密貼合的、磚塊大小的巖塊現(xiàn)在被交叉的碳酸鹽脈頂起并被任意地推開(kāi)，就像在一座被毀壞的建筑物上，磚塊之間不成比例膨脹的砂漿。“當(dāng)我看到這塊露出地面的石頭時(shí)，我?guī)缀蹩梢月?tīng)到它爆炸的聲音。”凱萊門(mén)說(shuō)。

 

    當(dāng)這些巖石還在地下時(shí)，“爆炸”是以慢動(dòng)作的形式展現(xiàn)的。當(dāng)二氧化碳附著在鎂離子或鈣離子上形成碳酸鹽礦物時(shí)，就會(huì)增加巖石的質(zhì)量。新礦物的體積也比反應(yīng)之前增加了20%~60%。凱萊門(mén)的模型表明，這些碳酸鹽礦物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)對(duì)周?chē)鷰r石施加高達(dá)2900個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力，從而將巖石推開(kāi)。凱萊門(mén)說(shuō)，在地幔巖石內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)使它們破裂——讓裂縫變得更寬、更深，暴露出新的反應(yīng)表面，從而允許更多的水和二氧化碳滲入。

 

    馬特和伍茲霍爾海洋研究所的地球物理學(xué)家羅伯特·佐恩在2019年和2020年兩次前往瓦迪納瓦尼山谷，他們就是在那時(shí)發(fā)現(xiàn)了巖石開(kāi)裂的證據(jù)。他們將水聽(tīng)器放入幾個(gè)充滿水的鉆孔中，并在鉆孔周?chē)胖昧说卣饍x。在一個(gè)月的時(shí)間里，他們記錄了數(shù)百次微地震，其幅度遠(yuǎn)比人能感覺(jué)到的微弱很多。“礦物碳酸化反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的巖石破裂會(huì)產(chǎn)生非常獨(dú)特的信號(hào)，”佐恩說(shuō)，“我們的數(shù)據(jù)里充滿了這類(lèi)信號(hào)。”但他也謹(jǐn)慎地指出，雖然他們得到的結(jié)果與反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的巖石裂解一致，但還沒(méi)有明確證明地下就發(fā)生了同樣的過(guò)程。

 

    即使工程師能夠找到利用膨脹和開(kāi)裂的辦法，他們也需要考慮意想不到的后果。粗略估計(jì)表明，碳酸鹽礦物固定10億噸二氧化碳將會(huì)使巖石體積最多增加0.1立方千米，約相當(dāng)于35座帝國(guó)大廈的體積。如果這發(fā)生在300平方千米土地下的巖石中（就像凱萊門(mén)提到的場(chǎng)景那樣），那么每年固定10億噸二氧化碳就可能會(huì)導(dǎo)致地面上升30厘米。

 

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    如果每年在300平方千米范圍內(nèi)注入100萬(wàn)噸二氧化碳，只會(huì)導(dǎo)致每年不到1毫米的地面抬升，這比許多地區(qū)在板塊構(gòu)造力作用下自然抬升的幅度還要小。只有在真正大規(guī)模注入二氧化碳時(shí)，膨脹擴(kuò)張才會(huì)成為問(wèn)題。

 

    凱萊門(mén)說(shuō)，考慮到這一點(diǎn)，任何10億噸級(jí)的二氧化碳注入都應(yīng)該只在阿曼灣海岸附近操作。工程師可以在那里斜著鉆入位于淺海海底下方的地幔巖石。這樣一來(lái)，巖石的膨脹只可能發(fā)生在海底，而在那里不會(huì)造成什么破壞。同時(shí)，海岸附近有充足的海水?dāng)y帶著濃縮的二氧化碳。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榘⒙鼛缀跏莻€(gè)沙漠國(guó)家，地下水在這里非常稀缺。

 

    顯然，在利用地幔巖石儲(chǔ)集二氧化碳之前，我們還有很多問(wèn)題需要解決。

 

    現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始了。

 

撰文：道格拉斯·?？怂梗―ouglas Fox） 翻譯：龔聰

 

    （本版圖文由《環(huán)球科學(xué)》雜志社供稿）