海洋中的变革性碳汇？

几十年前，当二氧化碳（CO₂）在大气中远低于百万分之 400 时，气候科学家开始警告燃烧化石燃料对地球气候的负面影响。从这些早期预警中，人们达成了共识，即需要降低碳排放（并最终为零），以避免全球变暖带来的危险后果，例如极端高温、更强的风暴以及更严重的洪水和干旱。

今天大气中的CO₂ 专注 远远超过百万分之 400 并且仍在上升，大量研究和最近的恶劣天气事件表明这些危险的后果已经发生。各国政府制定了雄心勃勃的控制排放目标，并且正在取得一些进展，但人们对排放的严重问题和担忧 进展缓慢 盛产。

 对于每种去除二氧化碳的方法，其对减少和安全储存大气碳的影响程度仍然存在疑问。

有效降低大气碳水平需要采取一系列行动，包括 做出艰难决定的个人 从生活方式的改变到国际合作，从多种选择中寻求解决方案。正在考虑的选项包括以下方法： 刻意去除二氧化碳 （CDR）来自大气层，一度被认为是最后的手段。许多 CDR 方法，无论是陆地还是海上，都处于不同的测试和开发阶段。每种方法都有优点和缺点，例如在成本和潜在的负面副作用方面。对于每一个问题，其对减少和安全储存大气碳的影响程度仍然存在疑问。

在这里，我们概述了另一种 CDR 方法，该方法受到海底自然碳封存过程的启发，理论上可以去除大量大气碳。关于这种方法的重大问题和担忧也需要得到解答，但考虑到其巨大的潜力，我们认为值得研究。

当前的二氧化碳去除选项菜单

CDR 领域正在呈爆炸式增长 对具有成本效益的战略的需求 超过供应。最常见的方法是将有机碳储存在生物质、陆地和海洋中。恢复具有碳储存能力的自然栖息地的努力值得称赞。然而，这种有机碳很容易氧化并重新释放到大气中，尤其是通过野火燃烧和干旱植被腐烂。例如，在海上，这些努力是通过海藻种植和营养施肥来实现的，尽管目前尚不清楚产生的新生物量最终会被储存多少或储存多长时间。

二氧化碳也可以通过使用酸碱化学来捕获，然后封存在岩石（例如，枯竭的油藏地层）或海洋中。然而，这些方法也遇到了实现永久储存的挑战，引发了有关封存碳重新释放到大气中的安全性和潜力的问题。

海洋碱度的提高具有相当大的前景，因为在相关时间范围内海洋储存碳酸氢盐的能力充足。

转化二氧化碳₂ 矿物碳酸盐提供了永久储存的机制[克莱门与物质, ，2008]。称为 Ebelmen-Urey 反应的自然反应 [皮埃尔洪伯特, ，2010]，其中硅酸盐矿物如镁橄榄石（Mg₂二氧化硅₄;橄榄石的一种形式）与CO反应₂ 产生碳酸盐矿物和二氧化硅（例如，镁₂二氧化硅₄ + 2CO₂ → 2MgCO₃ + 二氧化硅₂），由于它们对温度和相关反馈的依赖，被认为在地球历史的大部分时间里都充当了行星恒温器的角色。过去，这些反应通过降低大气中的二氧化碳含量，逐渐使地球摆脱了温暖的温室气候。₂, ，它们最终将消除人为碳峰值，尽管时间尺度与人类文明无关。

与此同时，人类可能需要大规模实施CDR，以补偿过去一个世纪化石燃料的开采和燃烧。海洋碱度增强 (OAE)，其中添加 Mg 等离子²⁺ 和钙²⁺ （源自橄榄石或石灰等材料）进入海洋会导致大气中二氧化碳的更多溶解₂ 形成碳酸氢盐（HCO₃^–），具有相当大的前景，因为在相关时间范围内海洋储存碳酸氢盐的能力是充足的[伦福斯和亨德森, ，2017]。事实上，OAE 方法（通常涉及分散在海洋表面的材料）正在研究中，尽管它们也面临着大规模可行性的问题。是否还有其他海洋环境可以广泛开展 OAE 并取得持久成果？

转换故障提供了一种变革性的方法

地幔占地球体积的 80% 以上，是一个巨大的超镁铁质（低硅）岩石储层。从概念上讲，这种岩石的一小部分（如果完全转化为碳酸盐，至少约 600 立方公里）可以中和大气中工业时代化石碳的全部部分。

海洋转换断层及其断裂带延伸呈现出这样的构造环境，其中通常埋藏在数公里厚的地壳下的反应性地幔岩石暴露在地球表面。转换断层的发现——连接位于大洋中部扩张中心的不同板块边界——是 20 世纪 60 年代引发板块构造革命的关键。卡森, ，2020]。如今，正确的岩石和高浮雕测深的同时出现呈现出化学和重力不平衡的最佳组合，这表明存在地球上其他地方没有的大规模 CDR 的潜力。

特别是在岩浆贫乏的缓慢扩张（每年 <4 厘米）的板块边界处，转换断层环境具有相对快速反应且丰富的硅酸镁矿物特征。克莱门等人。, ，2020]。转换断层谷的规模使大峡谷等陆地侵蚀特征相形见绌。海底谷壁容易出现大量浪费，从而暴露出活性硅酸盐矿物的新鲜表面。在局部地区，几乎水平的脱离断层的运动导致部分地壳从下面的地幔滑落，从而使海底的超镁铁质岩石进一步暴露。

水-岩石反应产生碱性溶液所需的主动压裂非常普遍。沿着海洋转换断层观测到的地震波速度较慢，这意味着水渗透到了 30 公里以上的深度。王等人。, ，2022]。由于这些环境中海底岩石的冷却差异，转换板块边界的断裂带延伸也继续经历差异垂直运动和新断裂。此外，沿脊顶和沟壁局部存在暴露出反应性地幔岩石的活动断层。

将失落之城郊区化？

众所周知，海洋转换断层环境拥有可封存溶解二氧化碳的低温热液系统₂ 通过沉淀矿物碳酸盐[凯利等人。, ，2007]。一个典型的例子是 失落之城热液田 (LCHF)，位于北纬约 30°、亚特兰蒂斯地块大西洋中脊以西 15 公里处。在这里，海底喷口释放出高 pH 值的碱性液体，这些液体与海水发生反应，沉淀出 60 多米高的碳酸盐塔（例如 CaCO₃）和水镁石（Mg[OH]₂).

LCHF 的低温热液循环 链接到 橄榄石和相关矿物通过海底渗透的水的放热水合作用（例如，2Mg₂二氧化硅₄ + H₂氧+2H⁺ → 镁₃硅₂氧₅（哦）₄ + 镁²⁺）。该反应形成蛇纹石族矿物（例如镁₃硅₂氧₅（哦）₄），蛇纹岩中的主要矿物。然后热液通过可渗透的裂隙岩石系统上升。温暖的碱性喷口流体（pH > 10）与海水混合会局部改变碳酸盐平衡，有利于碳酸盐沉淀。

想象一下，是否可以通过故意扩大失落之城和失落之城等低温热液系统来增强这种自然的 CDR 过程？ 将碱性液体输送到海洋表面 同时逆转人为海洋酸化并减少大气二氧化碳₂. 。这似乎是一项大胆且技术要求很高的壮举，但所需的核心技术已经具备。

在活跃的物质浪费地点进行钻探和水力压裂将产生新的活性矿物表面，并促进蛇纹石化、进一步裂解，并产生更多的碱性、高pH值热液。然后，流体可以被泵送或引导通过绝缘管道浮力上升，以提高表面海洋混合层的碱度。与现有纵横大陆和海底的化石燃料基础设施相比，通过管道将这些流体输送到地表应该是非常可行的。至于地面基础设施，封存的航空母舰舰队（大概由核能或风能等非化石能源提供动力）可能会充当钻井平台。地球的转换断层陡坎覆盖了大约 100,000 平方公里，这个区域对于这种 CDR 方法来说可能绰绰有余 [例如， 克莱门等人。, 2020].

然而，即使有基本技术和暴露地幔物质的规模，仍然有一些实际的科学问题需要解决。例如，需要进行额外的研究来了解低温热液环境中负反馈和正反馈的相对重要性[克莱门等人。, ，2020]。负面反馈可能包括“堵塞”，即次生矿物的沉淀抑制渗透性和碱性液体的产生。与此同时，喷口的长寿命以及普遍存在的裂隙和蚀变岩石都证明了保持这些系统运转的积极反馈。

尽管化学有利于增加二氧化碳的消耗，但还存在潜在的动力学问题需要解决₂ 在海洋中，反应的速度可能太慢，对人类的时间线不重要。已经探索了几种加快二氧化碳排放速度的方案₂-消耗反应。克莱门与物质 例如，[2008] 表明，在 185°C (365°F) 的最佳反应温度和高 CO2 分压下，橄榄石碳酸化速率比典型速率高出百万倍₂. 。还探索了加速这一过程的电化学策略[例如， 劳等人。, 2013].

甲烷的麻烦

有意扩大热液系统并将流体输送到海洋表面的概念引起了明显的担忧。排名靠前的是甲烷。

除了技术可行性的问题之外，有意扩大热液系统并将流体输送到海洋表面的概念引起了明显的担忧。最重要的是甲烷，一种强效温室气体，是蛇纹石化作用的普遍产物。无碳矿物在富碳甲烷的形成中发挥什么作用？

在蛇纹石化反应中，地幔橄榄石是一种典型的 90% 镁橄榄石（Mg₂二氧化硅₄）和 10% 铁橄榄石（Fe₂二氧化硅₄），释放还原铁（Fe²⁺），这就是罪魁祸首。水氧化还原铁，形成分子氢（H₂）在此过程中（即 3Fe₂二氧化硅₄ + 2小时₂氧→2Fe₃氧₄ + 3SiO₂ + 2小时₂）。然后，该氢气将任何氧化碳（例如，CO₂）呈现为甲烷（即 4H₂ + 一氧化碳₂ → 中文₄ + 2小时₂O）。显然，创造或扩大甲烷来源并使气体最终进入大气中是不可取的。

然而，这个消息可能也不全是坏消息。氢气和甲烷气体都是能源——前者是清洁能源。收集这些气体有助于满足对传统能源的持续需求和对清洁能源不断增长的需求，同时也有助于为钻探和 CDR 基础设施提供资金。在另一个以经济为重点的框架中，所描述的扩大热液喷口系统的主要目标甚至可能是生产和销售创收的氢气来源，并将 CDR 作为有益的副产品。

当然，在深海中收集这些气体可能具有挑战性。在失落之城，海底的碳酸盐覆盖岩石有助于集中喷发液的流动。人工基础设施是否会同样集中产生的气体而不会过度泄漏仍然是一个悬而未决的问题。

还有什么可能出错的地方？

除了过量甲烷可能逸出之外，还存在其他问题。像“失落之城”这样的低温热液系统与大洋中脊常见的高温热液系统形成鲜明对比。在这些高温系统中，溶解的镁实际上被交换为质子（即 Mg²⁺ → 2小时⁺），排放酸性溶液会减少海洋的碱度预算，因此无意中增加这些系统的流体通量会适得其反。显然，应避免靠近高热流场所。

在断层陡坡上方钻探也可能引发大规模浪费事件和海啸，这是一种在波多黎各海沟等构造活跃地区研究过的潜在危险。

与拟议的 CDR 方法相关的活动也可能破坏海底和海洋表面栖息地。这种破坏是 主要关注点 和 海底采矿工作, ，并且为了 CDR 需要付出巨大的努力来避免破坏海底生态系统。为了最大限度地减少对表层海洋栖息地的破坏，可以设计一个输送系统来去除有问题的溶质，并在碱性喷口流体与地表水混合之前稀释它们。

消除邪恶的问题

化石能源的潘多拉魔盒造成了气候变化这个“邪恶”的问题，这个问题没有简单或单一的解决方案。苋菜属, ，2015]。远离化石能源的转变正在进行中，但即使碳排放明天消失，过量的二氧化碳₂ 将长期留在我们的天空中。

如果能够利用海洋转换断层环境中发生的自然 CDR 过程，则代表了一种潜在的变革性解决方案。

不存在去除多余碳的完美选择——所有方法都面临着大规模安全性、耐久性和有效性的问题。海洋转换断层环境中发生的自然 CDR 过程（如果可以利用它来减少大气中的二氧化碳）₂ 并提高海洋表面 pH 值，代表了一种潜在的变革性解决方案。这些设置在所需的规模上结合了最佳的化学和重力不平衡——准备破裂的合适岩石实际上以无限的数量存在。如果氢气和甲烷等还原气体可以被收集为能源而不必担心泄漏，那么这种方法在经济上是可持续的。

地球工程解决方案 可能会产生意想不到的后果, ，因此应采取谨慎的态度。我们建议需要进行更多研究来调查此处概述的 CDR 方法的技术可行性，并确定沿转换断层进行先导钻探实验的可能测试地点。还需要一个监控和规范海洋 CDR 研究、测试和开发的治理体系。

那么，这是一个潜在的拯救地球的想法值得探索，还是一个有趣但分散注意力的想法？我们欢迎地球科学界及其他领域的意见。不管人们的看法如何，越来越清楚的是，需要雄心勃勃的想法来加快减轻全球变暖影响和消除我们面临的邪恶问题的进展。

来源 ： 埃欧斯