ESR:地大(武汉)曹淑云教授团队| 矿物碳酸盐化:过程、机制及其在碳-氢循环中的作用

矿物碳酸盐化（Mineral carbonation）是一种极具前景的碳捕集与封存（CCS）方法，可通过自发反应实现二氧化碳（CO₂）的永久封存，具有天然原料丰富、环境影响小等优势。尤其是镁铁质和超镁铁质岩石，因其富含镁、铁和钙而表现出很高的碳酸盐化潜力（图1）。在本研究中，我们探讨了矿物碳酸盐化的基本反应过程及内在驱动机制，以支撑工程化CCS技术的优化。除工程应用外，我们还探究了矿物碳酸盐化对全球碳和氢循环的深远贡献，强调其在地球化学演化和早期生命潜在出现中的关键作用。本研究旨在夯实科学基础，助力将矿物碳酸盐化作为一种可规模化、可持续的气候缓解策略加以利用。

图1. 矿物碳酸盐化资源的位置与分布以及在玄武岩和橄榄岩体系中开展的原位碳酸盐化工程规模示范

1、矿物碳酸盐化途径及过程

矿物碳酸盐化大致可分为三种途径：地表碳酸盐化、异位碳酸盐化和原位碳酸盐化。地表碳酸盐化依赖于含CO₂的空气或地表水与反应性物质之间的自然反应，这些物质包括破碎的矿山尾矿、碱性工业废弃物副产品，或富含反应性矿物碎屑的沉积地层。异位碳酸盐化则是将反应性原料——不仅包括天然矿物，还包括水泥窑灰、钢渣及其他碱性工业残渣——运送至集中式设施，如CO₂排放源或专门的加工场地。在那里，这些物料通常经过破碎、研磨，然后与捕集到的或大气中的CO₂反应，反应常在高温高压条件下进行，以加快反应动力学。原位碳酸盐化旨在通过井筒将富含CO₂的水溶液或含水超临界CO₂（scCO₂）注入深部反应性岩层，在适宜的物理化学地质条件下发生碳酸盐化，从而实现CO₂的永久封存。玄武岩、橄榄岩和蛇纹岩是最具潜力的寄主岩石之一，因其富含Mg²⁺、Ca²⁺和Fe²⁺，这些阳离子对碳酸盐矿物的形成至关重要。在玄武岩和橄榄岩体系中开展的原位碳酸盐化工程规模示范，已为矿物碳酸盐化的全球规模化应用奠定了坚实基础（图1）。

矿物碳酸盐化的反应过程涉及CO₂与含金属氧化物矿物之间的化学相互作用。经典的矿物碳酸盐化是一个溶解–再沉淀过程，发生在富含Mg²⁺、Ca²⁺或Fe²⁺的硅酸盐（如橄榄石、辉石）与富含CO₂的流体之间。该过程分三个阶段进行：CO₂溶解形成碳酸，并解离为H⁺、HCO₃⁻和CO₃²⁻（第一阶段）；由此产生的酸性促进硅酸盐溶解，释放出金属离子（如Mg²⁺、Ca²⁺、Fe²⁺）（第二阶段）；金属阳离子与碳酸根离子反应，沉淀出稳定的碳酸盐矿物（第三阶段）。橄榄岩和辉石岩中的碳酸盐化常与蛇纹石化相伴发生，导致碳酸盐与蛇纹石矿物共同形成（图2）。在特定条件下，还会形成非生物成因的H₂和有机碳，这为天体生物学、早期生命起源和清洁能源等领域提供了重要启示。

图2.中国阿尔金余石山Nb-Ta矿床中的天然碳酸盐化透辉石岩

2、矿物碳酸盐化机制

多种因素影响着矿物碳酸盐化能否发生和持续进行，以及完全碳酸盐化的形成。参与碳酸盐化反应的渗透流体主要有两种类型：含CO₂的水溶液和含水scCO₂。这两类富CO₂流体决定了矿物碳酸盐化不同的反应机制。

（1）富水流体中的经典碳酸盐化机制：对于含CO₂的水溶液，硅酸盐在水相环境中的碳酸盐化倾向于遵循经典的溶解–再沉淀途径和水相碳酸盐化反应机制。经典的水相碳酸盐化过程在体相水溶液中进行，溶液pH是主要驱动力，硅酸盐矿物的溶解构成主要的速率限制步骤，而溶液组成（pH、水活度和氧逸度）、温度和压力则是主要的控制因素。消极的沉淀钝化作用（沉淀堵塞）与积极的反应诱导裂化作用（图3）和反应驱动孔隙作用，共同构成了调节碳酸盐化效率的正、负反馈机制。

图3.两种不同情形下反应诱发的裂化。（A）橄榄岩碳酸盐化过程中固体的体积和CO₂变化；（B–D）固体体积增加与反应诱发的裂化；（E–F）固体体积减小伴随流体超压导致的裂化。

（2）含水scCO₂流体中的界面碳酸盐化反应机制：与经典的富水碳酸盐化过程相比，含水scCO₂中的碳酸盐化主要发生在独特的纳米级至埃米级厚度的水膜内，这层水膜包裹着原生硅酸盐矿物颗粒的表面（图4）。界面水膜碳酸盐化过程在含水scCO₂环境中进行，纳米尺度水膜的限域效应和界面化学作为驱动力，水纳米膜内的离子传输构成速率限制步骤，含水量、水膜组成、温度和压力则是主要控制因素；此外，该路径还具有一条独特的水介导气–固碳酸盐化途径。

图4.含水scCO₂中矿物碳酸盐化的机理图示

3、矿物碳酸盐化的碳-氢循环意义

在碳‑氢循环体系中，长期反应性与构造整合至关重要。矿物碳酸盐化广泛发生于不同构造背景，包括大洋板块、大陆板块以及洋-陆俯冲带，它在大洋和大陆岩石圈中充当长期的碳‑氢汇，而俯冲带则促进碳和氢向地幔深部输送，驱动着全球长期的碳‑氢循环（图5），并与板块活动密切相关。在大洋板块内部，碳酸盐化主要发生在四种潜在的构造环境中：洋-陆转换带（OCTs）、洋中脊（MORs）、轴外洋壳（深海海底）以及海沟外隆起区（弯曲断层）。大洋俯冲带和大陆俯冲带具有不同程度的碳酸盐化效应。此外，大陆岩石圈内部碳酸盐化作用可显著吸收大气中的CO₂和H₂O，并在深部构造过程的驱动下，还可能吸收深部地幔的CO₂和H₂O。

图5. 矿物碳酸盐化在全球碳‑氢循环中的重要意义

以上研究成果发表于国际权威地球科学期刊《Earth-Science Reviews》上。论文第一作者为周丁奎博士后，曹淑云教授为通讯作者，合作者还包括李孝文博士后、程雪梅博士后、刘建华博士后、董彦龙实验师、占乐凡博士后、吴诗畅硕士、蒋恕教授等人。该研究成果得到了国家自然科学基金重点国际合作研究项目（42320104007）和国家重点研发计划（2017YFC0602401）的联合资助。

论文信息：Dingkui Zhou, Shuyun Cao, Xiaowen Li, Xuemei Cheng, Jianhua Liu, Yanlong Dong, Lefan Zhan, Shichang Wu, Shu Jiang, Guanzhong Shi. Mineral carbonation: Processes, mechanisms, and its role in the carbon–hydrogen cycle. Earth-Science Reviews, Volume 279, 2026, 105549.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2026.105549

限期免费链接：https://authors.elsevier.com/c/1nA1l2weR2Zp1

其他相关研究：Dingkui Zhou, Shuyun Cao, Jianhua Liu, Xiaowen Li, Yanlong Dong, Franz Neubauer, Jie Bai, Hu Li. Carbonation and serpentinization of diopsidite in the Altun Mountains, NW China. Scientific Reports, 12, 21361 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25612-5