通过增强风化作用去除二氧化碳的岩石资源评估：以中国南方为例

《Applied Geochemistry》：Evaluation of rock resources for carbon dioxide removal by enhanced weathering: A South China case

碳捕集与封存、增强岩石风化、华南地区地质评估、风化潜力多准则模型、重金属风险管控

　　

山琦|邢健

中国厦门大学海洋与地球科学学院海洋环境科学国家重点实验室，厦门，361102

摘要

面对大气中二氧化碳浓度上升的挑战，增强型岩石风化（ERW）作为一种有前景的气候缓解策略应运而生。通过将易于风化的岩石（主要是基性和超基性硅酸盐岩石）分布到气候适宜地区的农田、森林和海岸，ERW被认为既具有潜在的好处，也伴随着环境风险。尽管以往的研究主要集中在最有利矿物和岩石的碳去除能力和效率上，但对高潜力岩石资源的调查以及整合多种有益和风险因素的全面区域评估却鲜有报道。在这项研究中，我们首先建立了涵盖华南地区7,037个基性和超基性岩石样本的稳健地球化学数据库，以此为基础开发了一个多标准评估框架，考虑了风化潜力、营养物质、重金属和当地气候因素。该框架中的权重分配是通过标准间相关性（CRITIC）方法确定的，并结合主观调整来评估这些岩石的ERW潜力。评估结果显示福建省具有显著潜力，被认为是最佳地点，广东省、江西省和海南省也是非常合适的替代选择。广东省、海南省以及广西西南部的海岸线也是部署沿海ERW的理想场所。此外，高潜力岩石通常具有变质特征和高氧化铁含量，例如来自福建省海岸的变质哈茨堡岩、中国西南部二梅山大火山省（ELIP）的辉长岩以及河南省的辉石岩。这些发现为政策制定者和开发者提供了可行的见解，有助于有针对性的资源分配并加速ERW的推广。虽然铜、镉和铅等重金属元素需要谨慎的环境监测，但本研究为ERW的部署提供了实用的路线图。我们的多标准评估框架作为一种标准化方法，可用于本地或区域的ERW资源评估，为全球二氧化碳去除策略做出贡献。未来的工作应通过纳入矿物组成来提高精度，并通过现场试验验证发现，以评估实际的二氧化碳去除率和重金属生物可利用性。

引言

观测（Keeling等人，2001年；Monnin等人，2001年）和建模（IPCC，2021年）的结果均强烈表明，自工业革命以来大气中的二氧化碳浓度持续上升，1860年达到286 ppm（Etheridge等人，1996年），2000年约为369 ppm，2025年3月达到426 ppm（Lan等人，2025年）。二氧化碳浓度的增加可能导致各种危害，如全球变暖、极端气候事件、海平面上升等，这些可能严重威胁人类（Bazzaz等人，1990年；Groenigen等人，2011年；Shakun等人，2012年；Gao等人，2012年）。为了缓解这一令人担忧的情况，195个国家在2015年巴黎联合国气候变化大会上同意减少人为二氧化碳排放，以将升温限制在工业化前水平的1.5°C以内。然而，尽管人们对减少排放的认识日益增强，大气中的二氧化碳水平仍在继续上升，因此需要额外的碳缓解策略（UNFCCC，2015年；Horowitz，2017年；Baker等人，2018年）。在这种情况下，提出了二氧化碳去除（CDR）方法，涉及多种技术和手段（Terlouw等人，2021年；Fuhrman等人，2023年），并预计在实现相关目标的所有1.5°C情景中发挥关键作用（Smith等人，2024年）。

增强型岩石风化（ERW）作为一种有前景的CDR方法正在兴起（Schuiling和Krijgsman，2006年；Hartmann等人，2013年；Beerling等人，2018年）。ERW的主要实现途径是将易于风化的岩石（主要是硅酸盐岩石）应用于农田、森林和沿海地区（图1）。ERW在CDR解决方案中的巨大潜力源于这样一个理念：大陆风化，特别是硅酸盐岩石的化学风化，在碳循环和调节全球气候中起着关键作用（Penman等人，2020年）。具体来说，硅酸盐岩石中的化学活性矿物，如长石、辉石和橄榄石，在富含水分的环境中通过化学风化可以消耗二氧化碳，产生碱度并溶解无机碳，这些碳可以转移到水生系统中或随时间转化为碳酸盐相。这一过程产生了镁、钙和碳酸氢根离子，它们保持溶解状态，防止通过平衡转化为大气中的二氧化碳，从而增加土壤水和渗滤液中的碱度（Hartmann等人，2013年；Larkin等人，2022年；Vienne等人，2022年）。这部分碱度可以通过流域输送到河流，最终进入海洋，作为海洋溶解无机碳（DIC）和海洋碳酸盐长期储存（Schuiling和Krijgsman，2006年；Bertagni和Porporato，2022年；Haque等人，2023年）。在足够高的pH值下，溶解的离子和DIC还可以在土壤和底土中沉淀为次生（成土）碳酸盐，以固态无机碳的形式储存二氧化碳（Vienne等人，2022年；Khalidy等人，2023年；Cong等人，2024年）。许多先前的研究已经定性和定量描述了通过硅酸盐岩石风化减少现代大气中二氧化碳的过程（例如，Kasting和Catling，2003年；Dessert等人，2003年；Lee等人，2019年）。在整个地质历史中，几次全球降温事件也被归因于这种大规模硅酸盐（尤其是基性和超基性）风化过程中的二氧化碳去除效应（Goddéris等人，2017年；Conwell等人，2022年；Bayon等人，2023年；Murray等人，2024年）。

据评估，硅酸盐和碳酸钙岩石的自然风化每年大约能固定0.25Pg的碳，这仅占石油燃烧年排放量的3%（Taylor等人，2016年）。因此，自然风化速率不足以实现碳中和的目标。通过ERW加速这一过程可以显著增强其自然能力，为减少人为排放提供可行的解决方案（Schuiling和Krijgsman，2006年；Renforth，2012年；Renforth等人，2015年；Taylor等人，2016年；Beerling等人，2018年）。此外，ERW还可以缓解海洋酸化，释放钾（K）、硅（Si）和磷（P）等元素，有助于刺激生物生产（Goll等人，2021年；Riebesell等人，2007年），增加岩石圈的碳汇并增强海洋中的生物泵作用以固定碳（Hartmann等人，2013年）。然而，大规模实施ERW也可能带来环境风险，尤其是从矿物原料中释放微量重金属到土壤和水生生态系统（Haque等人，2020年；Flipkens等人，2021年；Dupla等人，2023年）。近年来，ERW的潜力主要通过模型（Beerling等人，2020年；Fuhrman等人，2023年）和实地实验（Buckingham等人，2022年；Beerling等人，2024年；Holden等人，2024年；Linke等人，2024年）进行了测试。预测表明，仅在中国，ERW每年就可以固定0.5到2吉吨的二氧化碳，成本约为每吨二氧化碳80到180美元（Beerling等人，2020年；Guo等人，2023年）。这为未来实现全球CDR目标带来了希望（Eufrasio等人，2022年）。此外，ERW预计比其他CDR方法需要更少的水、能源和成本（Eufrasio等人，2022年；Kantzas等人，2022年）。优化岩石选择和应用区域可以进一步提高成本效率和整体效果。为了量化固定潜力和风险，需要进行系统的岩石资源调查，以了解硅酸盐岩石的矿物组成和元素含量，并了解其用于ERW的潜力（Guo等人，2023年）。

在这项研究中，我们以华南地区为例，重点研究了超基性、基性以及少量中性岩石，因为它们具有较高的二氧化碳固定效率。选择华南地区作为研究区域主要是因为其湿润和温暖的气候条件，这些因素对风化过程至关重要。我们从1980年至2024年的377篇文献中收集了7,037个岩石样本的矿物学、岩石学、地球化学和年龄数据（见表S1和S2）。我们建立了岩石资源数据库，并为不同的实施情况制定了ERW评估框架。评估框架考虑了多个重要参数，包括岩石质量、气候背景、研究强度、岩石应用释放的重金属和运输距离。还考虑了不同的应用区域和环境需求。本研究的目标是：1）创建华南地区基性和超基性岩石的全面数据集；2）为ERW岩石的利用和部署区域提供评估方法和结果；3）更好地理解ERW的应用，并为全球碳去除工作做出贡献。

部分摘录

用于去除大气二氧化碳的增强型岩石风化

如先前研究（Spence等人，2021年；Cong等人，2024年）所提出的，ERW的实施过程包括五个基本阶段（图1）。许多通过理论计算和模拟的研究指出，岩石研磨过程是ERW实施中能耗最大的环节（Moosdorf等人，2014年；Beerling等人，2018年）。虽然毫米级（约1毫米）的破碎能耗最低（Moosdorf等人，2014年），但

数据收集与描述

我们从377篇已发表的论文中收集了基性和超基性硅酸盐岩石的原始数据（7,037个岩石样本）（详见补充材料）。这些文献主要关注岩石成因、构造演化和地球化学研究。我们编译的数据集中包括样本名称、坐标位置、年龄、岩石类型、主要和微量元素地球化学、放射性同位素比值以及存在的矿物组成（如果有的话）。

该数据集涵盖了各种类型的地区和岩石

华南地区ERW岩石资源的总体评估结果

一些评估结果（不包括“站点指数”）显示在图7中。结果显示，“岩石指数”在评估结果Excel文件中的范围大约在0.21到0.71之间，经过空间平均网格化后为0.30到0.50之间。如果排除“重金属”，该指数在空间平均网格化后的范围分别为0.0048到0.68和0.10到0.35之间。为了提供另一种视角来评估岩石的适用性，并对我们的评估框架进行交叉验证，我们进行了风化

结论

我们的研究通过建立涵盖华南地区7,037个基性和超基性岩石样本的稳健地球化学数据库，成功实现了其主要目标。通过考虑岩石特征、环境因素和数据可靠性等多标准评估，我们认为福建省是ERW实施的最佳地点（其白垩纪和新生代基性岩石），广东省、江西省和海南省也被认为是非常合适的替代选择。

CRediT作者贡献声明

邢健：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。山琦：撰写——初稿、可视化、方法论、数据管理、概念构思

未引用的参考文献

Aradóttir等人，2012年；Bazzaz，1990年；Blanc-Betes等人，2021年；Hill和Peart，1998年；Horowitz，2016年；Kiran等人，2022年；Mazzotti等人，2005年；Murray和Jagoutz，2024年；Penman等人；Renforth等人，2011年；Rinder和von Hagke，2021年；Schuiling和Krijgsman，2006年；Singh Jiwan和Ajay，2011年；Skov等人，2024年；Steinshouer等人，1999年；te Pas等人，2023年；Van Groenigen等人，2011年；Wu等人，2021年。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据（表S1、S2和S3）可在开放科学框架中公开获取：https://doi.org/10.17605/OSF.IO/PHTV6

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42476051）和厦门大学的本科生开放创新基金（KFJJ-202418）的支持。我们感谢厦门大学的研究生傅汉晶和沈晓天在图表制作方面的帮助和建议。我们非常感谢编辑和两位匿名审稿人对本手稿提出的深思熟虑和建设性意见。此外，我们也感谢