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。要到達那里，游客不僅要在一條逐漸消失的泥土路上行走，還需要循著汽車在砂石上留下的輪胎痕跡繼續向前。在那里，藍色調的水塘中偶爾有地下水涌入，水塘里充滿了堿鹽。當地的地下水中還富含氫氣，當你把水從井里打出來時，還會聽見水中的氣體像香檳一樣嘶嘶作響。

 

    山谷里稀疏地生長著一些帶刺的灌木，四周是數百米高的山峰，山峰表面的棕色巖石因為風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，因此無法在地表保持化學結構的穩定。它們或許形成于地下數萬米深的地幔（地球的中間層，人類尚未直接觀察過），這個位置比目前任何開鉆的油井或金剛石礦都要深。大約8000萬年前，這些巖石在一次板塊構造事件中被推向了地表。

 

    現在，由于暴露在空氣中，它們正經歷著一場悄無聲息的變化。

 

    彼得·凱萊門認為，這種奇特的地質現象可能有助于人類應對氣候變化。2018年1月的一個下午，就在瓦迪納瓦尼的山谷中，他向我介紹了整個宏偉的計劃。100米開外的帳篷下是臨時搭建的室外實驗室，里面有桌子、化學試劑和專門用于檢查巖石樣品的掃描儀?，F年65歲的凱萊門是美國哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的地質學家，他留著一頭灰色的短發，皮膚因為幾十年的戶外工作而曬得黝黑。凱萊門轉向我們身后的巖壁，指出那里就是由風化后的地幔巖石——棕色的橄欖巖——構成的。降雨后，雨水就會滲入巖石裂縫，將溶解其中的氧氣和二氧化碳帶入巖石。當巖石與水和氣體發生化學反應后，就會形成新的礦物。

 

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

 

    凱萊門和同事估計：在阿曼，裸露的地幔巖層每年都會吸收并固化10萬噸的二氧化碳，這相當于每立方米巖石吸收約1克的溫室氣體。“如果你把這個過程增強100萬倍，那么每立方千米的巖石每年就能吸收10億噸二氧化碳。”凱萊門說，他認為這一點可以通過工程手段實現。阿曼擁有約15000立方千米的地幔巖石，容量充足。凱萊門的計劃包括向下鉆探數千米，在到達溫度更高的巖層后，向其中泵入充滿二氧化碳（從空氣中抽?。┑暮Ｋ?，以此加快反應的速度。

 

    這類裸露的地幔巖石不僅出現在阿曼，在美國（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。凱萊門估計，包括阿曼在內，這樣的巖石能夠儲存60萬億~600萬億噸二氧化碳，大約是自1850年以來人類向大氣中排放的二氧化碳總量的25~250倍。凱萊門說，合理利用這樣的巖石倉庫可以帶來巨大的影響。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2019年的一份報告指出，除非人類在2100年以前以某種方式從大氣中去除1000億~1萬億噸二氧化碳，否則無法將全球變暖控制在1.5℃以內（普遍認為這樣可以避免災難性的氣候變化）。如果這個計劃從2050年開始，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。

 

    為了實現這個目標，我們必須建設大量的全球性基礎設施，從大氣中提取二氧化碳，并將其通過深井注入地幔巖石中?？梢哉f，這個過程剛好與開采化石燃料的過程（化石燃料燃燒后會將二氧化碳排放到空氣中）相反，呈現出了一種鏡像般的對應。在凱萊門看來，阿曼就位于這一龐大而耀眼的新興產業的中心。

 

    這種“鏡像”基礎設施能否奏效取決于科學家在阿曼開展的調查。當我們在樹下聊天時，凱萊門的團隊正準備向瓦迪納瓦尼的谷底開鉆。他們會提取400米的巖芯，借此研究在我們的腳下深處的化學反應。遠處一臺轟隆作響的挖溝機正在挖坑，為鉆孔做準備。

 

    在2019年和2020年，凱萊門的團隊相繼發表了一些研究，清晰地展現了如何增強固碳反應。今年5月底，有一支新的施工團隊會到瓦迪納瓦尼山谷，測試在地幔巖石深處注入并固定二氧化碳的過程。這是有史以來第一個這樣的實驗，如果成功，這將是阿曼甚至整個阿拉伯半島成為應對氣候危機的重要工業中心的開始。

 

2.加快反應

 

    如今，越來越多的研究表明，實現“負碳排放”已變得非常緊迫?？茖W家也提出了各種策略：重新種植森林或者向海洋施肥，這樣可以增加樹木或浮游植物的數量，從而利用光合作用吸收二氧化碳；改善農田管理，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”設備過濾發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。我們已經嘗試過一些方法。比如，在挪威海岸附近的斯萊普納氣田，隨著天然氣一同開采出來的二氧化碳會被再次處理，注入海床以下1000米處的沉積巖（由砂巖等顆粒狀沉積物構成）儲層中。這個項目始于1996年，每年可儲存約100萬噸二氧化碳。但這種方法依然有問題，二氧化碳幾乎不與沉積巖發生反應，它主要是滲入了巖石的孔隙中。這讓一些科學家擔心，二氧化碳是否會逐漸從空隙中泄漏出來。

 

    20世紀90年代，凱萊門還在從事另一項研究。他曾在阿曼偏遠的山谷中扎營數周，試圖測繪巖漿從更深、更熱的地幔層來到地表時所經過的通道。這些巖漿在地表凝固后會形成玄武巖，這是一種堅硬、致密的深色巖石，大部分海洋地殼都是由它們構成的。2004年，凱萊門從馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所轉到了拉蒙特-多爾蒂地球觀測站，當時他遇到了地球化學家于爾格·M·馬特（現就職于英國南安普敦大學）和物理學家克勞斯·S·拉克納（現任美國亞利桑那州立大學負碳排放中心主任）。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，這種巖石的化學反應活性比沉積巖高，因此很容易將氣體轉化為固體礦物——這樣的過程也被稱為“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，顯然它們在過去吸收了二氧化碳。但一些研究人員認為，這樣的過程需要花費數百萬年。凱萊門此前沒有涉足這個領域，但他懷疑這個過程是否真的如此緩慢。在阿曼工作期間，他經常路過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，它會不斷與空氣中的二氧化碳反應，在水池表面形成一層光滑潔白的碳酸鈣層。凱萊門注意到，當碳酸鈣薄膜被風或雨打碎時，新的薄膜在一天之內就又形成了。凱萊門說：“對于地質學家來說，一天之內就能發生的事情都是超音速的。”

 

    既然地表上存在如此迅速的過程，凱萊門想知道，地下碳酸化礦脈的形成速度是不是也比此前認為的更快。2007年，當他再次前往阿曼時，收集了許多帶有碳酸鹽巖脈的樣本。回到研究所后，團隊首先測定了礦物的形成時間。“我原以為這些礦脈會有9000萬年的歷史，”凱萊門說，“但其實它們都還不到5萬年。”有些甚至只有6000年的歷史。阿曼的地幔巖石不僅在遙遠的過去吸收二氧化碳，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起初認為的快10000倍。

 

    在2008年的另一次考察中，凱萊門和馬特計算出這些礦物約占當地地表附近巖石體積的1%。這意味著整個地區每年能夠自然固化10000~100000噸的二氧化碳，相當于2000~20000輛汽車的年排放量。雖然這個數量不會對氣候變化產生太大影響，卻讓這幾位科學家有了新的想法，他們開始考慮能不能通過加快反應效率，讓這個過程產生全球性的影響。

 

    在接下來的4年里，這兩名研究人員每年都會返回阿曼。他們從井中抽取水樣，追蹤水在地下流動時發生的化學反應。結果表明，當雨水滲入地下裂縫時，溶解在雨水中的二氧化碳會與鎂離子結合，形成碳酸鎂礦脈，直到水中的少量氣體被迅速耗盡。在雨水流動的過程中，來自同一地幔橄欖巖的鈣離子會溶解在水中。他們認為，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，形成了凱萊門看到的碳酸鈣薄膜，甚至是巨大的鈣華階地，這些鈣華幾乎散布在整個阿曼。

 

    凱萊門和馬特那時還不知道人類可以在多大程度上加速這個過程。這取決于水循環的速度和深度。為了回答這個問題，他們需要深入地下。

 

3.地下深處的水

 

    2018年1月，凱萊門和馬特對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，絲毫不關心安裝在一輛大型工作車后的鉆頭旋轉著鉆入山谷時發出的轟隆聲。纜繩已經從洞里吊出了總共9米長的巖芯。每段巖芯有數米長，直徑和棒球棒相當。它們按照順序擺放在折疊桌上，接受幾位科學家的檢查。“前幾米的巖芯中有很多礦物碳酸化的跡象。”凱萊門沿著折疊桌走動時說道。隨著深度稍微增加，巖芯的顏色發生了顯著的變化。

 

    當地幔巖石位于地下深處時，它們呈現出深綠色。這是因為在完全沒有氧氣、水和二氧化碳，溫度超過1300℃的環境中，形成了富含鎂和鈣的橄欖石和輝石礦物。當板塊構造將這些巖石帶到地表時，礦物就會因為環境的變化經歷一波又一波的化學反應。頂部數米的巖石帶有淡淡的橙色，表明在最靠近地表的巖層中，水攜帶的氧氣與礦物中的鐵結合，讓巖石“生銹”了。再往下幾米，這些顏色就消失了，說明滲透到那里的溶解氧已經耗盡。此時，灰色的巖石中布滿了無數細如發絲的青綠色細脈，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，這個過程還會產生從地下水中冒出的氫氣。

 

    與這些青綠色的礦脈縱橫交錯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。這些白色礦脈一開始約有手指寬，但到了地下10米時，它們變得纖細而稀少，這表明水在向下滲透時，二氧化碳也被逐漸消耗掉了。

 

    接下來的幾天，鉆探工作依然在進行。工人將此前的巖芯裝入板條箱，為即將擠滿桌子的數十個新巖芯讓路。400米深處的巖石上仍然可以見到細小的蛇紋脈絡，說明雨水至少已經滲透到這個深度了。

 

    在接下來的3年里，科學家在實驗室分析樣本，確定巖石與二氧化碳和水反應的速度。到2021年年初，我已經與馬特交談了幾次。他對一種在所有巖芯中都能看到的現象感到震驚：“只要深度超過100米，礦脈或裂縫中都沒有任何碳酸鹽礦物的蹤跡了。”不知出于什么原因，二氧化碳沒能繼續深入巖石。

 

    在2019年的一篇論文中，凱萊門和馬特以及馬特當時的學生阿梅莉亞·保克特·萬科倫（現任職于加利福尼亞州立大學薩克拉門托分校）估計，鉆孔前50米的地下水來自降雨滲入，已經存在了4~40年。但是再往下的巖石中，水在其中已經至少存在了20000年。在2020年發表的一篇論文中，馬特和法國蒙彼利埃大學的熱拉爾·洛茲（論文的共同作者）通過向兩個相距15米的深鉆孔注水來觀測水穿過巖石的過程。他們發現，水在地下100米以上的地方相對容易移動，但在100米以下，滲透率就下降了1000倍。

 

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

 

    為了克服這樣的瓶頸，可以利用“直接空氣捕集器”，這種設備會用風扇讓空氣通過化學吸附劑，吸附劑可以吸收并進一步濃縮二氧化碳。后續設備可以對二氧化碳氣體加壓，將其送入巖石鉆孔。在地下1000~3000米的地方，氣體將與水（通過單獨的管道注入）混合。接著，溶解有二氧化碳的水會被送入周圍的地幔巖石中。在通過巖石的孔隙滲透后，水流會抵達最遠可達1000米開外的第二個孔中，這個孔就是所謂的“返回通路”。此時耗盡二氧化碳的水會通過通道返回地表，并再次與二氧化碳混合。

 

    在地下3000米處，巖石的溫度可以達到100℃，這些熱量會加速礦物碳酸化反應。反應本身產生的額外熱量也有助于推動溫水循環到達返回通路。

 

    2020年，凱萊門和萬科倫發表的研究表明，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千倍。按照這個速度，在大約9個足球場大小的區域內，單口注入井每年可以捕獲多達50000噸二氧化碳——與阿曼整個自然系統吸收的二氧化碳量相當。10年后，這口井就可以捕獲50萬噸二氧化碳。

 

    在瓦迪納瓦尼山谷提取巖芯的科學家還沒有將二氧化碳注入地幔巖石中。但幾年前，冰島的科學家曾嘗試將二氧化碳注入另一種化學性質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展的項目奠定了基礎。

 

4.壓裂巖石

 

    在格陵蘭島和挪威之間的北大西洋，有一處深藏在數百千米下的地幔熱點。要知道，來自地核的熱量會讓深處的巖石變得柔軟，這些“部分熔融”的巖漿就會通過地下裂縫向海底涌出。5000萬年來，涌出的巖漿在凝固后會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越高，直到從海洋中露出，形成了今天的冰島。玄武巖結構致密，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巖石。

 

    2005年，拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的馬特、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熱發電廠啟動了一項名為“Carbfix”的二氧化碳注入實驗。從2012年開始，機器將二氧化碳和硫化氫氣體（地熱場的天然產物）從工廠的廢氣中分離出來，然后利用礦井將它們注入地下400~800米深的玄武巖中。

 

    在8個月的時間里，工程師注入了約250噸二氧化碳。在附近礦井進行的監測表明，在兩年內，95%的二氧化碳被固定在了碳酸鹽礦物中。從那時起，該項目就一直在運行，每年儲存約10000噸二氧化碳。2019年，Carbfix分拆出來成為一家獨立公司，它的目標是到2030年時，將10億噸二氧化碳固定在玄武巖中。

 

    協助領導這次實驗的馬特認為，結果驗證了他們的想法。他說，一開始，“碳捕獲界認為我們瘋了，”因為人們認為玄武巖的多孔性還不足以讓水滲透通過。在那之后，另一個來自美國西北太平洋國家實驗室的團隊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。

 

    在固化二氧化碳方面，地幔巖石或許比玄武巖更有效，因為前者含有的活性鎂和鈣是后者的3倍。1噸地幔橄欖巖可以固化多達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為地幔巖石，甚至玄武巖是完美的解決方案。威斯康星大學麥迪遜分校的水文地質學家克里斯托弗·扎哈斯基表示，盡管注入沉積巖的二氧化碳可以遷移，但它們仍然能夠穩定地儲存在那里，因為強大的毛細作用力能夠將它們困在礦物顆粒之間微小的空間中。即使上方的巖石出現裂縫，二氧化碳也不太可能泄漏出來。

 

    扎哈斯基仍然認為，在玄武巖和地幔巖石中儲存二氧化碳具有重要優勢。地幔巖石的挑戰在于它們的孔隙空間遠小于沉積巖。“因此你需要更多的井才能更均勻地向地下注水。”凱萊門多年來也一直在解決這個問題。他認為有一個解決方案：如果選擇恰當的方法向地下注入液體，化學反應本身就可能在巖石中產生裂縫，從而讓水通過。

 

    當我在阿曼時，凱萊門和我沿著一條狹窄的溪流往下走，最后停在一塊汽車大小、上面布滿碳酸鹽脈的巖石旁邊。曾經緊密貼合的、磚塊大小的巖塊現在被交叉的碳酸鹽脈頂起并被任意地推開，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。“當我看到這塊露出地面的石頭時，我幾乎可以聽到它爆炸的聲音。”凱萊門說。

 

    當這些巖石還在地下時，“爆炸”是以慢動作的形式展現的。當二氧化碳附著在鎂離子或鈣離子上形成碳酸鹽礦物時，就會增加巖石的質量。新礦物的體積也比反應之前增加了20%~60%。凱萊門的模型表明，這些碳酸鹽礦物在生長過程中會對周圍巖石施加高達2900個標準大氣壓的壓力，從而將巖石推開。凱萊門說，在地幔巖石內部發生的化學反應會使它們破裂——讓裂縫變得更寬、更深，暴露出新的反應表面，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，他們就是在那時發現了巖石開裂的證據。他們將水聽器放入幾個充滿水的鉆孔中，并在鉆孔周圍放置了地震儀。在一個月的時間里，他們記錄了數百次微地震，其幅度遠比人能感覺到的微弱很多。“礦物碳酸化反應驅動的巖石破裂會產生非常獨特的信號，”佐恩說，“我們的數據里充滿了這類信號。”但他也謹慎地指出，雖然他們得到的結果與反應驅動的巖石裂解一致，但還沒有明確證明地下就發生了同樣的過程。

 

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

 

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    如果每年在300平方千米范圍內注入100萬噸二氧化碳，只會導致每年不到1毫米的地面抬升，這比許多地區在板塊構造力作用下自然抬升的幅度還要小。只有在真正大規模注入二氧化碳時，膨脹擴張才會成為問題。

 

    凱萊門說，考慮到這一點，任何10億噸級的二氧化碳注入都應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，巖石的膨脹只可能發生在海底，而在那里不會造成什么破壞。同時，海岸附近有充足的海水攜帶著濃縮的二氧化碳。這一點很重要，因為阿曼幾乎是個沙漠國家，地下水在這里非常稀缺。

 

    顯然，在利用地幔巖石儲集二氧化碳之前，我們還有很多問題需要解決。

 

    現在，實驗已經開始了。

 

撰文：道格拉斯·?？怂梗―ouglas Fox） 翻譯：龔聰

 

    （本版圖文由《環球科學》雜志社供稿）