Nature：沙漠里的突破——地下水循環注采為缺水地區CO2快速礦化封存開辟新路徑

全球變暖日益加劇，溫室氣體減排已成為全球可持續發展的核心議題，碳捕集利用與封存（CCUS）被視為是實現大規模減排和應對氣候變化的重要技術手段。CO2礦化封存通過將CO2飽和水注入富含活性硅酸鹽礦物的巖層，使其快速轉化為穩定的碳酸鹽礦物，具有封存穩定、泄漏風險低的優勢，尤其適用于缺乏傳統沉積圈閉條件的地區（Sn?bj?rnsdóttir et al., 2020）。但這一路徑的大規模應用通常需要消耗相當于CO2質量20–50倍的水資源（Oelkers and Gislason, 2023），成為制約其規模化推廣的瓶頸。

冰島大學、沙特阿卜杜拉國王科技大學的Eric H. Oelkers教授與沙特阿美（Saudi Aramco）公司合作，在沙特西部沙漠氣候區的Jizan玄武巖地層開展了一項CO2礦化封存工業尺度試驗（Oelkers et al., 2026）。該研究在缺水、缺乏有效蓋層和傳統沉積圈閉條件的地區，依靠地下水循環注方式采實現了CO2的快速、安全礦化封存。基于示蹤劑監測、流體化學和回收固相礦物分析等證據，約70±5%的注入CO2在10個月內完成礦化固定，顯示出遠超于傳統咸水層封存的數千年礦化反應時間的速率（Xu et al., 2004），為缺水地區CO2快速礦化封存開辟了新路徑（圖1）。

圖1 Jizan二氧化碳礦化示范項目的概述及布局。a. 示意圖展示了試點項目的表面和地下結構，其中包括一個水循環系統（未按比例繪制）。b. 注水井和生產井的深度區間，以及為該項目鉆探的其他井位信息。c. 紅海地圖，顯示Jizan位于沙特阿拉伯海岸的位置，為熱沙漠氣候區。d. 研究區域至紅海的東西向地質剖面圖。Jizan組由向海傾斜的半斷陷盆地組成，內含層狀火山巖，研究地點覆蓋著上新世沉積巖層，且向西厚度增加

研究團隊在沙特西部Jizan玄武巖地層布設了一對相距約130 m的生產井和注入井組，構建了地下水循環注采系統。該系統首先從生產井抽取地層水，再通過地面管線輸送至注入井；與此同時，純凈CO2通過井內專門設置的管線在約150 m深度注入到井筒中，并在進入射孔井段前完全溶解于循環地下水中，最終以CO2飽和水的形式注入350 m深的目標玄武巖儲層。由于目標地層為裂縫發育的玄武巖體，這種注入方式既能夠利用地下天然裂縫和斷裂網絡提供的滲流通道，又可避免游離CO2直接注入帶來的浮力上竄風險。整個循環系統與地表大氣隔離，減少了CO2泄漏至地表以及氧氣進入地層的可能性，避免因氧化反應或微生物活動引起流動通道堵塞問題。與傳統溶解注入需要大量外部供水不同，這種“地下水開采—井下CO2混合溶解—地層回注”的循環注采工藝顯著降低了外部水資源依賴，同時還能減緩地層壓力升高和流體不配伍問題，為缺水地區開展CO2礦化封存提供了新思路。

圖2 注入井131噸水溶性二氧化碳注入的前后及過程中，地下的pH值和溶解性無機碳（DIC）濃度的隨時間變化情況。a. 地下pH值演化。b. DIC濃度演化。黃色陰影區域表示二氧化碳注入地層的時段

為系統評估注入CO2在地下的運移、反應與固定過程，研究團隊構建了由示蹤劑監測、流體地球化學分析和固相礦物鑒定組成的多層次監測體系。首先，研究人員分別采用NaF和SF?兩種示蹤劑追蹤循環流體在地下的流動路徑及停留時間，并據此估算在無CO2礦化條件下生產井中應有的DIC濃度基線，再與實測DIC進行對比，從而量化CO2從流體向固體礦物轉化的比例。與此同時，持續監測生產井流體的pH以及Ca、Mg、Si、Fe等關鍵離子濃度變化，以判斷注入CO2是否促進了玄武巖中硅酸鹽礦物的溶解，為后續CO2礦化沉淀提供陽離子來源。研究還對損壞電潛抽水泵中回收的固體樣品開展了XRD礦物分析以及碳、氧同位素測試，用以確認新生成碳酸鹽礦物是否源于注入CO2。結果表明，CO2注入后生產井流體pH顯著下降、DIC濃度先快速升高后逐步降低，同時Ca、Mg、Si等元素濃度上升，顯示出典型的“酸化溶解—礦化沉淀”反應特征（圖2）。兩類獨立示蹤結果均表明，約(70±5)%的注入CO2在約10個月內完成了礦化固定；回收固體中的方解石、菱鐵礦和鐵白云石等碳酸鹽礦物及其同位素證據，進一步證明了注入CO2已在地下轉化為穩定礦物，實現了快速礦化封存。

圖3 不同時間點 CO 2 礦化比例估算。a.測量得到的溶解性無機碳（DIC）與使用氟化鈉（NaF）示蹤劑計算得出的預期DIC基線值的對比，到2024年4月降至70±5%，這意味著約70%的CO 2 已被礦化固定。b. 測量得到的DIC與使用六氟化硫（SF6）示蹤劑計算得出的預期基線值的對比，到2024年4月減少至70±5%，與使用氟化鈉示蹤劑所獲得的結果一致。黃色陰影區域顯示了CO 2 注入地層的時段

該研究不僅在缺水、無蓋層地區完成了CO2礦化封存的工業尺度示范，還通過多種監測手段對其有效性進行了有力驗證，增強了這一技術路徑的可信度和工業可行性。其低耗水和快速礦化固定的優勢，有望拓展CCUS在非常規地質條件下的應用場景，并為干旱地區工業減排提供了新路徑，對我國西部缺水地區CO2封存具有重要借鑒意義。

主要參考文獻

Oelkers E H, Gislason S R. Carbon capture and storage: from global cycles to global solutions[J]. Geochemical Perspectives, 2023, 12(2): 179-180.

Sn?bj?rnsdóttir S ó, Sigfússon B, Marieni C, et al. Carbon dioxide storage through mineral carbonation[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2020, 1(2): 90-102.

Oelkers E H, Arkadakskiy S, Ahmed Z, et al. CO2 subsurface mineral storage by its co-injection with recirculating water[J]. Nature, 2026, 651(8107): 954-958.（DOI: 10.1038/s41586-026-10130-5）

Xu T, Apps J A, Pruess K. Numerical simulation of CO2 disposal by mineral trapping in deep aquifers[J]. Applied geochemistry, 2004, 19(6): 917-936.

（撰稿：底超杰，田飛，趙亮/油氣理論與方法學科中心）