塔马拉克侵入岩体中的关键矿物回收潜力及碳储存潜力

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Critical mineral recovery and carbon storage potential at the Tamarack intrusive complex

碳矿物化与关键矿产回收潜力：TIC超镁铁岩的CO?增强矿物回收研究显示，其镍钴富集的橄榄岩可同时实现117 MMT级CO?封存及4.1 MMT Ni和1.2 MMT Co回收，为双碳目标下的资源综合利用提供新路径。

　　

哈什瓦德汉·乔普拉（Harshvardhan Chopra）|C. 希斯·斯坦菲尔德（C. Heath Stanfield）|玛德琳·F·巴特尔斯（Madeline F. Bartels）|纳巴吉特·拉希里（Nabajit Lahiri）|何塞·马西亚尔（Jose Marcial）|艾米丽·T·尼恩豪伊斯（Emily T. Nienhuis）|伊娜·穆德罗夫斯卡（Inna Mudrovska）|马修·菲利翁（Mathieu Fillion）|罗伯特·拉什（Robert Rush）|马丁·索韦（Martin Sauvé）|汤姆·亨特（Tom Hunt）|尼基·莫顿（Niki Morton）|萨内尔·范·维克（Sanelle Van Wyk）|克里斯·德瓦萨加亚姆（Chris Devasagayam）|昆·R·S·米勒（Quin R.S. Miller）|H·托德·谢夫（H. Todd Schaef）

美国华盛顿州里奇兰市太平洋西北国家实验室能源与环境理事会

摘要

位于美国明尼苏达州的塔玛拉克侵入体复合体（Tamarack Intrusive Complex，简称TIC）是一种全球独一无二的超镁铁质岩石类型，主要由结构松散的橄榄岩构成。可以利用二氧化碳增强型矿物回收（CO₂-EMR）技术，在深层超镁铁质地层中（包括塔玛拉克侵入体内的橄榄岩）储存注入的碳元素，并同时回收关键矿物。为了更好地了解TIC在碳矿化及关键矿物迁移方面的独特潜力，我们对塔玛拉克橄榄岩样本进行了全面的地球化学和矿物学分析。通过微X射线荧光光谱成像和X射线光电子能谱技术研究了橄榄岩颗粒表面的元素分布及化学成分；利用X射线衍射、扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱技术分析了样品的整体矿物组成。分析结果表明，塔玛拉克橄榄岩富含含镍的橄榄石，这表明在碳矿化过程中可以通过镍的迁移实现关键矿物的有效提取。根据我们的储量估算，塔玛拉克橄榄岩资源中的非反应性碳储存潜力约为85万至1.17亿吨（MMT）二氧化碳。如果仅对5%的橄榄岩应用CO₂-EMR技术，流体-岩石反应可回收高达410万吨镍（Ni）和120万吨钴（Co），并永久储存14亿吨二氧化碳。鉴于关键矿物出口所带来的巨大经济价值，TIC在美国既可作为国内关键矿物的重要来源，也可成为千兆吨级的碳储存设施。

引言

全球范围内正在开发和实施碳捕获与储存（CCS）技术，以减少传统能源生产过程中的碳排放（DePaolo和Cole，2013）。传统上，捕获的二氧化碳被储存在枯竭的油气田和其他沉积岩层中。然而，镁铁质-超镁铁质地层具有将二氧化碳以碳酸盐矿物形式封存的独特能力。冰岛（CarbFix1和CarbFix2项目，Aradóttir等人，2011；Clark等人，2020；Gíslason等人，2018；Gislason等人，2010；Matter等人，2011, 2016；Pogge von Strandmann等人，2019；Ratouis等人，2022）和华盛顿州（Wallula玄武岩试点项目，McGrail等人，2017, 2014, 2011；White等人，2020）已经成功开展了此类试点项目。鉴于镁铁质地层中的矿化示范效果，研究人员开始评估超镁铁质地层（其中含有较高量的碳酸根离子Mg²⁺和Fe²⁺）的碳储存潜力（Al Kalbani等人，2023, 2024；Goff等人，2000；Kelemen等人，2020；Rio，2022；Stanfield等人，2025；Steinthorsdottir等人，2024）。此外，总部位于阿曼和阿联酋的44.01公司还在萨迈尔蛇绿岩复合体中进行了二氧化碳注入试验（Project Chalk，Matter等人，2025）。

通过向反应性储层注入富含二氧化碳的流体，可以引发溶解-沉淀反应，将关键矿物释放到流体相中（Byrum等人，2023；Depp等人，2022；Gao等人，2023；Gazzetti等人，2023；Hamilton等人，2018, 2020；Honda-McNeil，2022；Katre等人，2024；Lahiri等人，2025, 2023；Li等人，2023；Murchland等人，2023；Murchland，2025；Nagurney等人，2023；Polites等人，2022；Power等人，2024；Santos等人，2015；Stanfield等人，2024；Wang等人，2024；Wang和Dreisinger，2022；Wang和Dreisinger，2023a, 2023b, 2023c, 2024；Wang等人，2023a, 2023b；Wicks和King，2021；Wilson和Hamilton，2022；Wilson等人，2023；Zhang等人，2024）。结合碳矿化和关键元素浸出的过程，利用二氧化碳增强型矿物回收（CO₂-EMR）技术，有望实现既能产生经济效益的二氧化碳储存，又能提高镍（Ni）和钴（Co）等贵重金属的产量。相关实验研究表明，在适当的储层条件下，使用含螯合剂的二氧化碳基流体处理富含橄榄岩的超镁铁质岩石时，碳化程度可超过50%，镍的回收率可达到80%以上（Jacobs等人，2025；Murchland等人，2025；Wang和Dreisinger，2024）。这些关键矿物对能源、计算机和制造业等新兴技术领域的发展至关重要，但其供应链往往不稳定或供应不足。因此，开发新的采矿和提取技术（如CO₂-EMR）对于确保关键矿物的可持续供应具有重要意义。

位于明尼苏达州的塔玛拉克侵入体复合体（Tamarack Intrusive Complex，简称TIC）是镍矿勘探和未来采矿作业的目标区域（Brian Thomas，2022；Corp，2025；《纽约时报》，2022）。镍因其在下一代电动汽车、人工智能和数据中心电池中的应用而被视为关键矿物。塔玛拉克地区独特的岩石类型——既包含高品位的传统硫化物矿床，又存在橄榄岩“碗状”结构（Taranovic等人，2015），使其成为实施新型地下采矿技术的理想场所，这些技术专注于通过工程化注入和流体回收来提取关键矿物。纳米尺度界面研究进一步证实，二氧化碳的暴露会促使塔玛拉克橄榄岩中的含镍橄榄石发生溶解，同时伴随碳酸盐的沉淀，从而将碳矿化与关键金属的迁移直接联系起来（Bartels等人，2026）。

在这项筛选与表征研究中，我们通过评估二氧化碳储存潜力及镍和钴的回收情况，探讨了塔玛拉克侵入体复合体中碳矿化与关键矿物回收的协同潜力。首先，我们采用多种地球化学、晶体学和衍射技术确定了塔玛拉克橄榄岩的化学成分，包括镍含量。结合塔玛拉克侵入体的地球物理和实验室地球化学数据，我们使用美国能源部改进的方法计算了碳储存的可行性。在地球化学分析和资源估算过程中，我们强调了CO₂-EMR技术将原本被忽视的岩石转化为高附加值产品的潜力，以及该技术对保障关键矿物稳定供应的积极作用。

塔玛拉克侵入体地质特征

塔玛拉克侵入体复合体形成于约10亿年前的中大陆裂谷系统发育期间（Taranovic等人，2018）。它由两条侵入岩脉和一个碗状侵入体组成，后者具有类似岩盖体的结构。位于岩脉南侧的碗状区域主要由橄榄岩构成，其上方覆盖着辉长岩-斜长岩（Goldner，2011）。橄榄岩颗粒直径约为1–3毫米，呈亚自形至自形正交辉石结构。

塔玛拉克橄榄岩的矿物组成及整体岩石地球化学特征

通过粉末X射线衍射（powder XRD）分析得出的整体矿物组成与先前研究结果一致（Goldner，2011；Taranovic等人，2015）。样本主要由含镍橄榄石（占72%；橄榄石成分见表3）组成，同时含有少量橄榄石和斜长石。次要的蛇纹石矿物（<5%）表明该地区曾发生过部分蛇纹石化作用，而存在的滑石和镁铁矿相进一步证实了这一过程。

结论

通过对塔玛拉克橄榄岩样本的应用，我们运用多种地球化学和矿物学技术发现橄榄石中存在镍和钴包裹体，这些元素可能在岩石与富含二氧化碳的流体反应后被浸出。计算表明，塔玛拉克侵入体复合体现有的孔隙空间可储存高达1.17亿吨的游离态二氧化碳。若仅对5%的橄榄岩实施二氧化碳增强型矿物回收技术，即可回收410万吨镍和120万吨钴。

作者贡献声明

哈什瓦德汉·乔普拉（Harshvardhan Chopra）： 负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、方法研究、数据分析、概念构建。C. 希斯·斯坦菲尔德（C. Heath Stanfield）： 负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、方法研究、数据分析、概念构建。玛德琳·F·巴特尔斯（Madeline F. Bartels）： 负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、方法研究、数据分析。纳巴吉特·拉希里（Nabajit Lahiri）： 负责撰写、审稿与编辑、数据分析。何塞·马西亚尔（Jose Marcial）： 负责撰写：