◎  贾凌霄

　　在工业革命之前，地球系统的碳循环是处于平衡状态的。自1800年以来，人类往大气排放了约20000亿吨CO₂，打乱了这一平衡。几乎所有全球经济活动产生的CO₂都以煤、石油和天然气的形式从地球中提取。在漫长的地质历史时期中，地球有效地将这些固体、液体和气体形式的能源保存长达数亿年，这证明地球具有长期储碳的巨大能力，因此在碳中和目标下，人类排放的CO₂可以通过返回地球来平衡从地球中提取的碳。

　　一、什么是地质碳汇

　　地质碳汇是指通过各种途径和手段，将大气中的CO₂转移固定到地质系统的过程。根据地质系统中CO₂储存库的不同，地质碳汇可分为地下岩层封存CO₂，或通过矿物碳化、岩溶作用、土壤等吸收CO₂。

　　CO₂地下岩层封存是指从发电厂和工厂（尤其是钢铁、水泥和散装化学品制造行业）中捕获CO₂，并将其以压缩形式注入合适的深层地质层（例如储层、咸水层、煤层等），长期安全地储存。矿物碳化是指将捕集的CO₂注入活性岩石（例如镁铁质或超镁铁质岩）中来封存，激发CO₂的矿化作用，从而永久固碳。岩溶碳汇是指碳酸盐岩在水和CO₂的作用下溶解，CO₂以无机碳的形式转移到水体中；在无机碳随水迁移的过程中，由于水动力条件的改变，一部分CO₂析出返回到大气，一部分高浓度无机碳的岩溶水刺激水生植物光合作用，将无机碳转化为有机碳固存下来。土壤固碳是指通过合理、可持续的土地利用和耕作管理优化，以增加土壤碳含量的方式，从大气中去除CO₂的过程。

　　二、地质碳汇的固碳潜力

　　CO₂地下岩层封存具有巨大潜力。根据美国国家科学院发布的数据，全球范围内CO₂地质“有效”封存容量约为135000亿吨，最小固碳能力约为20000亿吨。全球枯竭油气藏的CO₂封存能力约为10000亿吨，煤层的CO₂封存能力约为2000亿吨，咸水层具有不确定性，CO₂封存潜力可达数千亿吨。

　　矿物碳化是一种较为安全的碳汇途径，通过CO₂与硅酸盐岩反应所得的碳酸盐矿物是稳定的，CO₂再次返回大气的风险极低。第一种类型是向地下深处的岩层注入CO₂（“原位”矿物碳化），全球范围内溢流玄武岩区、大型地幔橄榄岩地块和洋脊都是矿物碳汇潜力区。第二种类型是使大气中的CO₂与暴露在地表的超镁铁质岩或玄武岩碎块（如尾矿）发生反应（“非原位”矿物碳化）。据估计，全球每年产生约4亿吨矿山尾矿可用于CO₂矿化，而且这些矿山大多距CO₂点源较近，有助于降低成本。

　　碳酸盐岩作为可溶岩，在CO₂和水的作用下溶解，可将大气圈中的CO₂转移到水圈中，在生态系统的作用下岩溶水中的无机碳以有机碳的形式固存在生物圈中，这一碳循环过程会受到温度、降雨、植被、土壤等情况的影响。通过人工干预，岩溶作用有潜力成为应对气候变化高效的碳汇手段。

　　土壤固碳能力取决于土地管理方法、土壤类型和气候。全球范围内土壤固碳潜力约为11亿～114亿吨CO₂/年。通过改良农田农作物和施肥策略、降低耕种强度，改善土地水资源管理（包括排水）等措施可以促进土壤固碳量。

　　三、地质碳汇技术发展趋势

　　CO₂地下岩层封存技术仍在发展中，相关的商业化项目还比较少。枯竭油气藏和咸水层是CO₂地质封存的主要选择。挪威的斯莱普纳（Sleipner）项目，从斯莱普纳气田生产的天然气中捕获CO₂，并将其注入位于气藏上方的咸水层；阿尔及利亚的In Salah项目，从生产的天然气中去除CO₂，然后大规模回注到2公里深的砂岩地层中；北美的兰奇利（Rangely）项目，将怀俄明州天然气处理厂的CO₂注入科罗拉多州兰奇利油田，用于提高采收率和储存。

　　CO₂地下岩层封存技术同时面临着一些环境风险，包括CO₂泄露（可能引起地表水酸化、土壤污染），诱发地震等。未来CO₂地质封存的研究方向为：一是加强对CO₂储层存储能力和质量的表征，以确保安全性和有效性；二是增加示范项目，加强监测，以获取经验，改进技术。

　　矿物碳化需要通过人工措施来加速CO₂吸收，非原位矿物碳化通过研磨和预处理矿物来加快反应速度，原位矿物碳化依赖于将CO₂注入可渗透岩石中，通过更高的温度和压力来加速。全球有许多地方都在探索非原位矿物碳化，包括南非金伯利矿山的尾矿碳汇和澳大利亚Keith镍矿山的水镁石尾矿碳汇，美国的Calera公司、英国的Carbon8公司已经实现相关领域小规模的商业化。但目前非原位矿物碳化成本较高，仅针对尾矿或工业废物进行了实践。原位矿物碳化发展程度相对较浅，目前世界上正在实施的原位矿物碳汇项目有2个，分别是欧盟资助的CarbFix项目和美国Wallula试点示范项目，均证明了矿物碳汇的潜力，CarbFix项目结果表明注入冰岛玄武岩的CO₂在两年内矿化率大于95%。

　　我国岩溶碳汇潜力较大。中国科学院院士袁道先指出，我国是岩溶大国，岩溶面积达344万平方公里，我国的岩溶动力系统在全球有很好的示范性。中国地质调查局岩溶地质研究所获批的国际地学计划项目“岩溶系统关键带过程、循环与可持续性全球对比研究”（2017～2021）表明，岩溶碳汇研究将在关键带科学、地球系统科学理念的支撑下进行。

　　土壤固碳优势明显，它不仅能够实现大气CO₂减排，还可以改善退化的土壤，提高生物产量，净化地表水和地下水。联合国指出，农业系统是当前具有很大气候缓解能力和潜力的一个重要的陆地生态系统；东南亚是全球最大的农业土壤固碳与温室气体减排潜力区。近年来，农业土壤固碳研究已经成为日益活跃且飞速发展的一个新兴领域。美国2002年成立了农业土壤温室气体减排协作机构。2019年，美国气候初创公司诺里筹集400万美元，与农民合作，使他们可以通过采用更加可持续的耕作方式，从空气中去除碳，并将其“隔离”在土壤中。

　　（作者单位：中国地质调查局地学文献中心）