Nature：沙漠里的突破——地下水循环注采为缺水地区CO2快速矿化封存开辟新路径

全球变暖日益加剧，温室气体减排已成为全球可持续发展的核心议题，碳捕集利用与封存（CCUS）被视为是实现大规模减排和应对气候变化的重要技术手段。CO2矿化封存通过将CO2饱和水注入富含活性硅酸盐矿物的岩层，使其快速转化为稳定的碳酸盐矿物，具有封存稳定、泄漏风险低的优势，尤其适用于缺乏传统沉积圈闭条件的地区（Snæbjörnsdóttir et al., 2020）。但这一路径的大规模应用通常需要消耗相当于CO2质量20–50倍的水资源（Oelkers and Gislason, 2023），成为制约其规模化推广的瓶颈。

冰岛大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学的Eric H. Oelkers教授与沙特阿美（Saudi Aramco）公司合作，在沙特西部沙漠气候区的Jizan玄武岩地层开展了一项CO2矿化封存工业尺度试验（Oelkers et al., 2026）。该研究在缺水、缺乏有效盖层和传统沉积圈闭条件的地区，依靠地下水循环注方式采实现了CO2的快速、安全矿化封存。基于示踪剂监测、流体化学和回收固相矿物分析等证据，约70±5%的注入CO2在10个月内完成矿化固定，显示出远超于传统咸水层封存的数千年矿化反应时间的速率（Xu et al., 2004），为缺水地区CO2快速矿化封存开辟了新路径（图1）。

图1 Jizan二氧化碳矿化示范项目的概述及布局。a. 示意图展示了试点项目的表面和地下结构，其中包括一个水循环系统（未按比例绘制）。b. 注水井和生产井的深度区间，以及为该项目钻探的其他井位信息。c. 红海地图，显示Jizan位于沙特阿拉伯海岸的位置，为热沙漠气候区。d. 研究区域至红海的东西向地质剖面图。Jizan组由向海倾斜的半断陷盆地组成，内含层状火山岩，研究地点覆盖着上新世沉积岩层，且向西厚度增加

研究团队在沙特西部Jizan玄武岩地层布设了一对相距约130 m的生产井和注入井组，构建了地下水循环注采系统。该系统首先从生产井抽取地层水，再通过地面管线输送至注入井；与此同时，纯净CO2通过井内专门设置的管线在约150 m深度注入到井筒中，并在进入射孔井段前完全溶解于循环地下水中，最终以CO2饱和水的形式注入350 m深的目标玄武岩储层。由于目标地层为裂缝发育的玄武岩体，这种注入方式既能够利用地下天然裂缝和断裂网络提供的渗流通道，又可避免游离CO2直接注入带来的浮力上窜风险。整个循环系统与地表大气隔离，减少了CO2泄漏至地表以及氧气进入地层的可能性，避免因氧化反应或微生物活动引起流动通道堵塞问题。与传统溶解注入需要大量外部供水不同，这种“地下水开采—井下CO2混合溶解—地层回注”的循环注采工艺显著降低了外部水资源依赖，同时还能减缓地层压力升高和流体不配伍问题，为缺水地区开展CO2矿化封存提供了新思路。

图2 注入井131吨水溶性二氧化碳注入的前后及过程中，地下的pH值和溶解性无机碳（DIC）浓度的随时间变化情况。a. 地下pH值演化。b. DIC浓度演化。黄色阴影区域表示二氧化碳注入地层的时段

为系统评估注入CO2在地下的运移、反应与固定过程，研究团队构建了由示踪剂监测、流体地球化学分析和固相矿物鉴定组成的多层次监测体系。首先，研究人员分别采用NaF和SF₆两种示踪剂追踪循环流体在地下的流动路径及停留时间，并据此估算在无CO2矿化条件下生产井中应有的DIC浓度基线，再与实测DIC进行对比，从而量化CO2从流体向固体矿物转化的比例。与此同时，持续监测生产井流体的pH以及Ca、Mg、Si、Fe等关键离子浓度变化，以判断注入CO2是否促进了玄武岩中硅酸盐矿物的溶解，为后续CO2矿化沉淀提供阳离子来源。研究还对损坏电潜抽水泵中回收的固体样品开展了XRD矿物分析以及碳、氧同位素测试，用以确认新生成碳酸盐矿物是否源于注入CO2。结果表明，CO2注入后生产井流体pH显著下降、DIC浓度先快速升高后逐步降低，同时Ca、Mg、Si等元素浓度上升，显示出典型的“酸化溶解—矿化沉淀”反应特征（图2）。两类独立示踪结果均表明，约(70±5)%的注入CO2在约10个月内完成了矿化固定；回收固体中的方解石、菱铁矿和铁白云石等碳酸盐矿物及其同位素证据，进一步证明了注入CO2已在地下转化为稳定矿物，实现了快速矿化封存。

图3 不同时间点 CO 2 矿化比例估算。a.测量得到的溶解性无机碳（DIC）与使用氟化钠（NaF）示踪剂计算得出的预期DIC基线值的对比，到2024年4月降至70±5%，这意味着约70%的CO 2 已被矿化固定。b. 测量得到的DIC与使用六氟化硫（SF6）示踪剂计算得出的预期基线值的对比，到2024年4月减少至70±5%，与使用氟化钠示踪剂所获得的结果一致。黄色阴影区域显示了CO 2 注入地层的时段

该研究不仅在缺水、无盖层地区完成了CO2矿化封存的工业尺度示范，还通过多种监测手段对其有效性进行了有力验证，增强了这一技术路径的可信度和工业可行性。其低耗水和快速矿化固定的优势，有望拓展CCUS在非常规地质条件下的应用场景，并为干旱地区工业减排提供了新路径，对我国西部缺水地区CO2封存具有重要借鉴意义。

主要参考文献

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

Snæbjörnsdóttir 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，田飞，赵亮/油气理论与方法学科中心）