全球变暖，地质学如何助力“双碳”目标？

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在文章开头，我们首先需要明确下“双碳”的意义，双碳究竟是什么？

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上表示，应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向，是保护地球家园需要采取的最低限度行动，各国必须迈出决定性步伐。中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“双碳”概念一经提出，引起了社会的广泛关注，人们纷纷从事于相关行业，这就是一个大风口，只要站在风口上，谁都能上天。

（图源：网易）

双碳就是“碳达峰和碳中和”。想要实现这两个目标，那就需要全社会的共同努力。那我们能做什么呢？那就从力所能及的小事做起，比如少开车（我没车.jpg）、多乘坐公共交通、多用环保袋、节约用水用电等等。

合肥地铁1号线（图源：乐居）

嗯？都说完了？那这篇文章就到此为止了吗？不，这些小事是大家都能做的。但是在一些看起来和双碳不搭边的领域，也能为双碳提供很大的助力，比如说地质学领域。

如果需要达到双碳目标，按照既有的思路，我们的思路就是捕获现有的碳，然后进行封存，这个方法就呼之欲出了。这个技术就是二氧化碳捕集利用与封存（CCUS），是碳捕获和碳封存（CCS）的升级版。CCUS是指将二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现而二氧化碳永久减排的过程。从思路上来说，这种方法的大规模利用能够永久的解决一部分二氧化碳问题，因此这成为未来我国减少二氧化碳排放、保障能源安全的战略性选择。

CCUS技术及相关类型

（来源：中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2021) ）

CCUS技术包含了四个环节：CO₂捕集（对工业或者能源产生的CO₂进行捕集），CO₂输送（运输到可利用或封存场地的过程），CO₂利用（地质利用、化工利用、生物利用），CO₂封存（注入深部地质存储）。

接下来，跳过捕集、运输环节，让我们直接快进到和地质学相关的利用和封存环节。

碳利用

关于CO₂利用，我们经常能看到新闻，比如说，中科院天津工业生物技术研究所在实验室实现了CO₂到淀粉的转换；电子科技大学实现了CO₂到高浓度乙酸的转化等等。不过这些都是生物化学领域的成果，目前也都处在实验室阶段，尚未达到工业应用程度，但是生物化学利用技术将是未来利用CO₂的有利手段。目前来说，在利用方面，主要是地质上的应用。

中科院天津工业生物技术研究所实验室合成淀粉（图源：中科院）

首先来看比较偏门的地质生物应用。2021年，《Nature》上发表了关于利用地层的甲烷微生物将CO₂部分转化为甲烷的研究。这些甲烷微生物来自于油藏，可在厌氧环境下将一部分CO₂转换为甲烷。这是怎么发现的呢？在研究油田二氧化碳驱油的工作中，这篇文章的作者发现在驱油开采的油田中，二氧化碳提高采收率的情况下，大概74%的CO₂溶解在了地下水中；在产甲烷微生物作用下，大概13-19%转换成了甲烷。显然，有效利用甲烷微生物将成为以后碳利用的一个重要手段。

Rebecca Tyne博士在油田取样（图源：牛津大学、环球零碳）

前文提到的二氧化碳驱油这个过程，是地质利用领域比较重要的环节。二氧化碳驱油法是提高石油开采的一种重要手段，思路是通过将CO₂注入地层，来驱动地下深层的原油运移，就像我们小时候吹中性笔芯一样。目前通过碳捕获、运移，将CO₂注入油田地层，进行驱油，已经成为地质上主要的手段之一。除此之外，煤层气的驱替之类，都是地质上常用的手段。除了进行地质上的利用，另外一个最重要的手段是进行直接封存二氧化碳，也就是碳封存。

碳封存

碳封存领域中，目前主要利用的区域有枯竭的油气藏、陆地咸水层、海底咸水层等（详图见上文中CCUS技术及相关类型图）。在这些区域，工程师通过直接注入等方式，将CO₂注入到地层当中。枯竭的油气藏很好理解，这种区域的油气已经枯竭，因此地层中留下了很大的孔隙空间，可以填充CO₂以此进行封存，同时起到加固地层的作用。但是在地面上那么多的CO₂，地下地层可利用空间又很小，如何才能容纳更多的二氧化碳呢？这就得说到相态的变化了，地下地层的温压条件与地面有很大的不同，因此地面上的大约1000立方米的CO₂到了地下2km处会被压缩成2.7立方米，压缩系数非常大。因此有限的地下空间可以容纳地面上千百倍的CO₂。

二氧化碳在不同条件下的状态（图源：地质调查科普网）

在我们所熟知的沉积盆地深部，分部有广泛的咸水层，这些咸水近乎静止，也无法抽取利用。基于这些性质，它就是非常好的碳封存区域。注入咸水层后，CO₂会被咸水层的盖层所封隔，这就像是油气圈闭，不太了解的朋友可以回看笔者写的石油文章。CO₂接着进入岩石孔隙，进一步溶解在咸水中，因此在咸水和岩石中固定下来，最后如果存在相关的微生物，则会被其消耗利用。咸水层广泛分布于陆地盆地和海洋盆地中，比如陆地上的鄂尔多斯盆地，海域的渤海盆地等，潜力巨大。不过封存技术也会存在相应的风险和难题，比如如何监测注入和变化，发生泄露如何解决等等。因此，这个风口一直都在，期待大家未来一起“恰饭”！

岩层二氧化碳固定机理（图源：地质调查科普网）

有奖问答

我们在这里准备了几个与本文密切相关的问题，大家可以通过留言回答。前三位全部答对者可以获得石头科普工作室定制的帆布包一个哦~（文章发布后24小时内作答有效；24小时后将在评论区精选所有作答的评论，并公示中奖者）

1. “双碳”是什么？

2. CCUS具体是什么？

3. 地下哪些环境可以做碳封存？

大家快来踊跃作答吧~

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撰稿：行雨

美编：怪伽cc

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