IF50.5｜循环水共注入实现玄武岩CO2快速矿化封存

沙特中试项目证明，循环利用地下咸水共注入CO2，10个月内70%碳被矿化，无需外部水源。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

碳捕集与封存（CCS）是达成巴黎协定减排目标的关键技术之一。在缺乏传统沉积盖层和咸水层的玄武岩地区，可通过将CO2溶解于水后注入地下，与玄武岩中的硅酸盐矿物反应生成稳定碳酸盐矿物，实现永久封存。然而，该过程通常需要消耗大量外部水资源，每封存1吨CO2需20-50吨水，限制了其在干旱地区的应用。沙特阿拉伯西部拥有大型CO2排放源（炼油、海水淡化），但缺乏传统封存地质条件，且水资源稀缺。此前冰岛CarbFix项目已在年轻玄武岩中成功实现CO2矿化，但依赖外部水源。

科学问题

卡在哪里： 在干旱地区，大规模外部供水不可行，而利用地下咸水进行循环注入的可行性尚未在工业尺度上得到验证。此外，在较老（21-30百万年）且蚀变程度较高的玄武岩中，CO2矿化速率和封存效率是否足以支撑商业化应用仍缺乏现场数据。

本文要回答： 验证在沙特阿拉伯西部Jizan地区玄武岩中，通过循环利用地下咸水共注入CO2实现快速矿化封存的可行性，并量化矿化速率和封存效率。

技术路线

作者主要用了：双井循环注入、惰性示踪剂、水化学监测、同位素分析、XRD/XRF。

项目在Jizan地区钻探五口井，选择两口相距130米的井（DW-1生产井、DW-3注入井）建立循环系统。将生产井抽出的地下咸水与纯CO2在注入井内混合（CO2:水质量比1:65），形成酸性富CO2流体注入玄武岩含水层。同时注入惰性示踪剂NaF和SF6，用于追踪流体运移和定量评估CO2矿化程度。通过连续监测生产井流体的pH、溶解无机碳（DIC）、主要阳离子浓度及示踪剂浓度，结合地球化学模拟和矿物学分析，揭示CO2在地下发生的溶解-沉淀反应。

图 1　Fig. 1。图1展示了中试项目的整体布局：a为地表和地下配置示意图，显示从DW-1生产井抽水，与CO2和示踪剂混合后注入DW-3注入井的循环系统；b为各井的深度区间，显示注入井和生产井均裸眼完井于250米以下；c为红海地图，标明Jizan位置。该图直观呈现了循环注入系统的空间关系和井位部署。

核心亮点

亮点 1｜循环注入消除外部水依赖

项目成功建立双井循环系统，以2.6 kg/s的速率从生产井抽水并注入CO2后回注到注入井，持续运行约一年。该系统完全使用地下咸水，无需外部供水，且通过维持水力梯度避免了CO2向上迁移。注入的CO2-水混合物密度高于原地下水，进一步降低了CO2逃逸风险。这一设计为干旱地区CCS提供了可扩展的解决方案。

图 2　Fig. 2。图2显示生产井流体的原位pH和DIC浓度随时间变化。CO2注入期间（黄色阴影区），pH从7.5降至最低约5.5，DIC从0.31 mmol/kgw升至峰值33.8 mmol/kgw。停止注入后，pH回升，DIC下降，反映CO2被矿物沉淀消耗。该图揭示了CO2注入引起的水化学动态响应。

亮点 2｜70%注入CO2在10个月内矿化

通过对比生产井流体中DIC与惰性示踪剂（NaF和SF6）的浓度变化，估算出约70±5%的注入CO2在停止注入后8个月内被矿化。两种独立示踪剂得到一致结果，增强了结论的可靠性。矿化速率显著快于传统硅酸盐风化过程，表明在较老玄武岩中也能实现快速碳固定。

图 3　Fig. 3。图3对比了实测DIC与基于NaF（a）和SF6（b）示踪剂计算的预期DIC基线。两种示踪剂均显示，到2023年11月DIC降低约50%，到2024年4月降低约70%，表明约70%的注入碳被矿化。该图提供了矿化效率的定量证据。

亮点 3｜碳酸盐矿物沉淀的直接证据

从生产井回收的损坏潜水泵内部发现大量碳酸盐胶结物，XRD分析显示含高达14%方解石、4%菱铁矿和3%铁白云石。碳酸盐的δ13C值（-7至-28‰）和δ18O值（-20至-11‰）与注入CO2（δ13C=-37.1‰）和地下水（δ18O=-3.3‰）的同位素平衡计算值一致，证实这些碳酸盐由注入的CO2沉淀形成。

亮点 4｜矿物溶解-沉淀反应链

CO2注入后，生产井流体中Si、Mg、Ca浓度分别增加2、3、1.25倍，表明玄武岩中斜长石、辉石等硅酸盐矿物发生溶解。同时，方解石、铁白云石、菱铁矿等碳酸盐矿物达到过饱和，而蒙脱石等粘土矿物也强烈过饱和。这些反应消耗了溶解的CO2，导致DIC浓度显著下降，并形成稳定碳酸盐矿物。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 双井循环注入、惰性示踪剂、水化学监测、同位素分析、XRD/XRF
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事碳封存、地质工程、地球化学或CCS技术研发的研究人员与工程师。

带走一句

循环利用地下咸水共注入CO2可在干旱地区玄武岩中实现快速矿化封存，无需外部水源，为类似地质背景的CCS项目提供了可复制的技术路线。