捕捉和儲存二氧化碳對於避免氣候變化帶來的最嚴重影響至關重要。科學家估計，到本世紀末，必須捕捉並鎖定數十億公噸的工業二氧化碳。一種有前景的策略是將這些氣體儲存在地下岩石中。當富含二氧化碳的流體流經某些岩石時，化學反應可以將碳轉化為固體礦物。這一過程被稱為碳礦化，可能會使碳在地下鎖定數百萬年。然而，科學家仍然希望了解這些岩石在過程中如何變化。麻省理工學院的一項新研究提供了更深入的了解。
研究人員將流體注入玄武岩樣本中，並使用 X 射線成像技術觀察礦物形成如何改變岩石的內部結構。他們的研究結果發表在期刊 AGU Advances 上。玄武岩是一種可在冰島和夏威夷等地找到的火山岩，對於碳儲存吸引了廣泛關注。新鮮的玄武岩含有許多孔隙、裂縫和裂紋，允許流體流經。這種岩石還含有鐵、鈣和鎂等元素。當這些元素與富含二氧化碳的流體反應時，可以形成碳酸鹽礦物，如方解石或白雲石。一旦碳轉化為這些礦物，便有效地變成了石頭。
已有的試點項目顯示了這一潛力。在冰島，CarbFix 公司將富含二氧化碳的水注入地下的玄武岩形成中。該項目顯示，超過 95% 的注入二氧化碳可以在兩年內轉化為礦物。然而，研究人員仍然對岩石本身在礦物積累過程中如何演變存在疑問。許多研究碳礦化的研究主要集中於優化地球化學，但我們想知道礦化對真實儲層岩石的影響，Peč 說。
為了進行這項研究，麻省理工學院的團隊在 2023 年使用從冰島收集的玄武岩樣本進行了實驗。他們將岩石放置在一個自訂的支架中，並通過連接的管道將形成礦物的流體泵送進樣本中。研究人員加速了礦化步驟，混合了兩種迅速生成碳酸鹽礦物的流體，並在 X 射線 CT 掃描儀內進行實驗。該掃描儀捕捉了玄武岩在數天和數周內的詳細 3D 圖像，揭示了隨著礦物在岩石內部形成，孔隙、裂縫和裂紋如何發生變化。
實驗顯示，礦物形成迅速降低了岩石的滲透性。滲透性描述了流體通過岩石的容易程度，而孔隙度的變化則遠不如滲透性明顯。即使在長時間的實驗後，只有約 5% 的原始孔隙空間被礦物填充。我們的發現告訴我們，礦物最初是在非常小的微裂縫中形成，這些微裂縫連接著較大孔隙，並堵塞了這些空間，Simpson 說。堵塞微裂縫不需要太多物質，但一旦堵塞，滲透性就會大幅下降。儘管出現這一下降，流體仍然能夠在岩石中流動並持續形成礦物。
研究人員表示，這些發現可能有助於工程師更好地設計地下碳儲存系統。這項研究提供了有關岩石在複雜的礦化過程中如何表現的資訊，這可能會給工程設計提供思路，研究合著者 Matėj Peč 說。
