《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之二十

编者按  为给全国煦丰碳中和组织各级工委，国内985、211、双一流等高校，全球碳排放权、碳汇交易机构提供全球范围内的碳汇形成分类和碳汇计算评估方法学专业理论知识和具体实践办法，全国煦丰碳中和知识产权组织和《碳同化碳中和组合物光合溶剂、其制备方法及其应用》发明专利发明团队编著了中共中央国务院新质生产力杰出代表/煦丰碳中和技术培训系列教材之九《碳汇形成分类与计算评估方法学概论总目录》。本教材总目录共分37章172节570分节。今天发布的是：

《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之二十

第20章

地质碳汇分类及

计算评估方法学

第01节  什么是地质碳汇

地质碳汇是指通过地球化学与地质过程将大气中的二氧化碳（CO₂）转化为稳定的无机或有机矿物形式，并长期（数千年至百万年尺度）封存于岩石圈、沉积圈或深部地质构造中的自然或人工增强过程。其核心特点是利用地球系统的物理化学机制实现碳的永久性或准永久性封存，是地球长期碳循环的关键环节。

第02节  地质碳汇的分类

地质碳汇可根据作用机制、时间尺度、人为干预程度等进行分类：

一、按作用机制分类

类型/主要过程/典型形式与场所

（一）硅酸盐矿物风化碳汇

大气CO₂溶于雨水形成碳酸，与硅酸盐岩石（如玄武岩、橄榄岩）发生化学反应，生成碳酸盐矿物和溶解性无机碳。碳酸盐沉淀（方解石、白云石）、河流输送至海洋。

碳酸盐矿物风化-再沉淀。碳酸盐岩（如石灰岩）风化释放碳，但部分碳在海洋或湖泊中再沉淀为碳酸盐沉积物。岩溶地区、海洋碳酸盐台地。

火山岩碳化作用CO₂与富含钙/镁的火山岩（如玄武岩）反应，直接形成固态碳酸盐矿物封存于岩石中。玄武岩含水层、蛇纹石化橄榄岩。

（二）沉积物埋藏碳汇

有机碳或无机碳随沉积物埋藏至深海或湖底，经成岩作用转化为稳定形态。深海沉积物、湖泊沉积层。

构造封存CO₂。通过地质构造活动（如俯冲带）进入地幔，或封存于深部咸水层、废弃油气藏。俯冲带、深部咸水层、油气储层。

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二、按时间尺度分类

（一）短期（<10³年）：如土壤碳酸盐形成、浅层沉积碳埋藏。

（二）长期（10³–10⁶年）：硅酸盐风化、深海沉积埋藏。

（三）永久性（>10⁶年）：俯冲带碳进入地幔、岩石完全碳酸盐化。

三、按人为干预程度分类

（一）自然地质碳汇：地球系统自然过程（如岩石风化、沉积埋藏）。

（二）人工增强地质碳汇：通过工程手段加速或放大自然过程，例如：

（三）碳捕集与封存（CCS）：将工业排放的CO₂注入深部地质构造。

（四）增强风化（EW）：将粉碎的硅酸盐岩石撒布于陆地或海洋，加速风化固碳。

（五）矿化封存：利用工业废料（如钢渣）或特定岩石进行CO₂矿化。

第03节  地质碳汇的计算评估方法学

地质碳汇的量化需结合地球化学分析、野外监测、遥感技术与模型模拟，核心挑战在于尺度大、过程慢、通量难直接观测。

一、关键参数与通量估算

（一）风化通量计算

\[F_{\text{weathering}}= Q\times C_{\text{DIC/HCO}_3^-}\times\rho_{\text{CO}_2}\]

其中：\(Q\)：河流径流量（可通过水文站或遥感反演获取）\(C_{\text{DIC/HCO}_3^-}\)：溶解无机碳浓度（通过水化学采样分析）。\(\rho_{\text{CO}_2}\)：碳来源比例（需用同位素⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、δ¹³C等区分硅酸盐与碳酸盐风化贡献）。

（二）碳埋藏速率

\[R_{\text{burial}}=A\times\rho_{\text{sed}}\times C_{\text{org/inorg}} \times v_{\text{sed}} \]

其中：

\(A\)：沉积区面积（通过地质测绘或遥感确定）。

\(\rho_{\text{sed}}\)：沉积物密度。

\(C_{\text{org/inorg}}\)：沉积物中有机碳或无机碳含量（岩芯采样分析）。

\(v_{\text{sed}}\)：沉积速率（通过放射性同位素¹⁴C、²¹⁰Pb等测定）。

二、主要评估方法

方法/技术手段/适用场景与局限

（一）地球化学通量法

河流/地下水采样分析离子浓度（Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃⁻等），结合水文数据计算风化碳汇通量。适用于流域尺度自然风化碳汇评估，但需区分人为干扰（如化肥输入）。

（二）同位素示踪法

利用δ¹³C、¹⁴C、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr等同位素区分碳来源（生物/地质）与年龄。

用于追踪碳循环路径，但成本高、分析复杂。

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（三）遥感与GIS反演

结合遥感数据（如植被覆盖、岩石类型、地形）与地理信息系统，估算区域风化潜力。适用于大尺度初步评估，但精度依赖地面验证。

（三）过程模型模拟

使用地球化学模型（如PHREEQC）、全球生物地球化学模型（如GEOCARB）模拟长期碳循环。可预测未来气候变化下的碳汇响应，但参数不确定性大。

（四）工程封存量监测

针对CCS项目，采用井口压力监测、地震勘探、示踪剂注入等方法评估CO₂封存效率与泄漏风险。适用于人工增强地质碳汇的精确计量，但成本高昂。

三、人工增强地质碳汇的评估框架（以CCS为例）

（一）可封存量估算

\[M_{\text{CO}_2}=A\timesh\times\phi\times\rho_{\text{CO}_2}\timesE\]

其中：

1.\(A\)：封存构造面积。

2.\(h\)：有效厚度。

3.\(\phi\)：孔隙度。

4.\(\rho_{\text{CO}_2}\)：CO₂在储层条件下的密度。

5.\(E\)：封存效率系数（通常为1–5%）。

（二）监测与核证要求

1.注入阶段：实时监测注入压力、流量、地震活动。

2.闭场后阶段：长期监测地下水化学、地表泄漏、地表变形。

四、不确定性管理

（一）自然过程不确定性：风化速率受气候、岩性、生物活动等多因素影响，需长期观测约束。

（二）尺度转换难题：从点位测量推演区域通量需借助模型与空间统计。

（三）人为干扰识别：区分自然通量与人类活动（如采矿、施肥）的影响。

第04节  地质碳汇的全球意义与挑战

一、气候调节关键角色

自然地质碳汇每年吸收约10–20亿吨碳，缓冲人为排放影响。

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二、碳中和潜力巨大

人工增强地质碳汇（如CCS、增强风化）有望贡献百亿吨级CO₂封存能力。

三、技术挑战

成本高（CCS项目每吨CO₂处理成本约50–150美元）、监测难度大、公众接受度低。

四、前沿方向：

1.低成本增强风化技术：开发高效岩石粉碎与撒布方案。

2.矿物碳化利用：将CO₂转化为建筑材料（如碳酸钙骨料）。

3.跨圈层耦合模型：整合岩石圈-水圈-生物圈过程，提升预测精度。

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第05节  总结

地质碳汇是地球系统最持久、最稳定的碳封存机制，其自然过程维系着百万年尺度的碳平衡，而人工增强技术则为应对气候变化提供了关键工程路径。

未来需突破方法学瓶颈，建立标准化监测-报告-核证体系，推动地质碳汇纳入全球碳核算框架，助力实现《巴黎协定》目标。