为了避免气候变化带来的最严重影响，研究界普遍认为本世纪末需要捕获并储存数十亿公吨工业排放的二氧化碳。将二氧化碳注入地下特定岩石的裂缝与孔隙中，使其与岩石发生反应并固化为矿物，被视为实现长期稳定封存的路径之一。

在部分试点项目中，“碳矿化”已显示出将注入二氧化碳转化为矿物的可行性，但矿化过程中岩石结构如何演变、是否会因矿物沉淀堵塞通道而限制后续注入能力，仍是工程应用需要回答的问题。

麻省理工学院（MIT）地球物理学家近日在《AGU Advances》发表研究，通过向玄武岩样品注入可快速形成碳酸盐矿物的流体，并结合X射线CT成像，连续观察矿化过程中岩石孔隙与裂缝的变化。研究团队报告称，随着流体被泵入岩石，样品渗透率在一天内迅速下降一个数量级，而孔隙率整体保持相对稳定、下降更为缓慢。

研究人员在成像中观察到，矿物从流体中沉淀后，优先在连接较大孔隙的狭窄通道与微裂缝中形成并造成堵塞，从而阻碍流体进入更大的孔隙空间。尽管渗透率显著降低，实验仍能维持流体以较低速率继续通过岩石，矿物也在部分裂缝与缝隙中持续生成。

该研究合著者、MIT地球物理学副教授Matėj Peč表示，这些结果为理解岩石在复杂矿化过程中的表现提供了信息，可能为工程设计提供思路。另一位合著者、MIT地球、大气与行星科学系博士后Jonathan Simpson称，在实际注入作业中若观测到渗透率大幅下降，操作人员可能会担心井口或通道堵塞，但研究显示在某些情况下，只要保持一定流速，矿物仍可继续形成并实现封存。

研究聚焦的玄武岩是一类喷发火山岩，分布于夏威夷、冰岛等地。新鲜玄武岩通常孔隙率较高，内部存在孔洞、裂缝与断层；其富含铁、钙、镁等元素，与富含二氧化碳的流体接触后可参与反应，形成方解石、白云石等碳酸盐矿物。

研究团队提及，由CarbFix公司主导的冰岛项目正在向地下玄武岩注入富含二氧化碳的水，并跟踪气体转化为矿物的比例。该项目报告称，注入地下的二氧化碳中超过95%在两年内转化为矿物。

在本次实验设计中，研究人员使用了Peč等人在2023年于冰岛采集的玄武岩样本，将小块样品置于定制样品架并连接两路流体。两种流体在岩石内部混合后会迅速生成碳酸盐矿物，研究团队据此加速矿化过程，以便集中观察矿物沉淀对岩石结构与流动能力的影响。

研究人员解释，在实际二氧化碳注入过程中，二氧化碳通常与水混合，流体穿过岩石时会先经历溶解阶段，从玄武岩中溶出铁、钙、镁等元素进入富二氧化碳流体，随后才进入矿化阶段并形成矿物。本研究采用可快速矿化的流体组合，跳过溶解阶段以提高实验效率。

在X射线CT扫描仪内，团队对样品进行持续数天至数周的高分辨率三维成像，记录孔隙、裂缝与缝隙被矿物逐步填充的过程。多次实验显示，最长实验结束时约5%的原始孔隙被新生成矿物填充，但渗透率已在早期出现显著下滑。Simpson表示，堵塞微裂缝并不需要大量矿物，一旦关键通道被封堵，渗透率就会大幅下降。

此外，研究人员在实验中使用超声传感器对岩石进行监测，发现传感器能够追踪孔隙率的细微变化：孔隙率越低、矿物填充越多，声波传播速度越快。研究团队据此认为，声学传感器可能成为监测地下岩石孔隙率变化及其储碳能力的手段之一。

Peč表示，总体而言，碳矿化被认为是永久储存大量二氧化碳的有前景途径；若实验结果可推广，可能意味着存在大量可长期注入的储层空间。

本文信息源自MIT新闻对相关研究的报道。