Ученые из Тринити-колледжа в Дублине и их итальянские коллеги из Института геологических наук и земных ресурсов впервые получили развернутый ответ на вопрос, в каких условиях углекислый газ может превращаться в минералы внутри базальтовых пород. Для этого они исследовали вулкан Сверрефьеллет на Шпицбергене, где тысячи лет назад магматический CO2 взаимодействовал с талой ледниковой водой, в результате чего внутри породы образовались карбонаты кальция, магния и железа. Именно это естественное хранилище углерода стало лабораторией под открытым небом для изучения того, как с помощью природы можно справляться с избытком углекислого газа.
Общеизвестно, что глобальное потепление требует не только снижения выбросов CO2, но и технологий его безопасного и долговременного хранения. Наиболее перспективным способом считается минерализация, когда углекислый газ взаимодействует с породой, и содержащиеся в ней кальций, магний и железо образуют прочные карбонатные минералы. Этот процесс необратим и экологически безопасен, но в искусственных условиях протекает крайне медленно, особенно когда речь идет о магнезите и доломите, которые обеспечивают наиболее стабильное захоронение углерода.
Ученые собрали образцы базальтов из Сверрефьеллета и изучили их с помощью рентгеновской дифракции и электронной микроскопии. Анализы показали, что породы буквально пронизаны прожилками и цементом из карбонатов. Образование этих минералов шло в строгой последовательности. Сначала у поверхности базальта образовались богатые кальцием протодоломиты, затем в ход пошли магний и железо, формируя магнезит и сидерит. Этот последовательный переход от одного минерала к другому отражает изменение химического состава флюидов по мере их взаимодействия с породой.
Ученые смогли даже оценить скорость этого процесса. Они измерили толщину карбонатных слоев, которая варьировалась от 40 до 320 микрометров, и сопоставили ее с предполагаемой длительностью циркуляции горячих гидротермальных вод в породах. Расчеты показали, что средние скорости роста кристаллов составляли от 10-14 до 10-11 м/с. Чтобы проверить достоверность этих оценок, данные сравнили с лабораторными экспериментами по осаждению магнезита при разных температурах. Совпадение оказалось поразительным. При 100 oC скорость образования минерала возрастала в миллионы раз, если сравнивать с поверхностными условиями.
Выяснилось, что на формирование миллиметрового слоя магнезита при комнатной температуре ушли бы сотни тысяч лет, тогда как в гидротермальной системе Сверрефьеллета этот процесс занимал лишь десятилетия. Это объясняет, почему инженерные проекты, работающие при температурах 25-50 oC, не позволяют добиться образования устойчивых магниевых карбонатов.
Исследование также показало принципиальные различия в устойчивости минералов. Кальциевые карбонаты оказались наименее надежны. Они могут растворяться при изменении кислотности или при поступлении новых порций воды, обедненных кальцием. Совсем иначе ведут себя магнезит и доломит. Они практически нерастворимы и способны сохраняться в породах миллионы лет. Именно эти минералы являются ключевыми для долговременного хранения углекислого газа в недрах. Железистые карбонаты, напротив, оказались нестабильными. При окислении они разрушаются, высвобождая железо и оставляя пустоты. Однако эта особенность имеет и положительный эффект. Возникающая вторичная пористость обеспечивает доступ свежих растворов и поддерживает дальнейшее связывание CO2.
Проведенное исследование показало, что магнезит и доломит, являющиеся самыми ценными минералами для климатической стратегии, образуются естественным образом именно в условиях умеренно горячих гидротермальных систем при 60-220 oC и в растворах с легкой кислотностью (pH 5-6). Для того, чтобы хранение углекислого газа было эффективным и долговечным, необходимо ориентироваться на геотермально активные зоны либо искусственно воссоздавать аналогичные параметры при закачке CO2 в недра.
