玄武岩二氧化碳矿化封存（II）：广东省雷州半岛的封存条件、选址和挑战

CO₂ Mineralization Storage in Basalt (II): Storage Conditions, Site Selections and Challenges on Leizhou Peninsula, Guangdong Province, South China

摘要

玄武岩CO₂矿化封存技术是在玄武岩区实现碳封存的新兴CCUS技术. 广东省西南部雷州半岛的玄武岩以拉斑玄武岩和碱性橄榄玄武岩为主，分布面积超过3 000 km²，其矿化封存潜力已引起重视. 根据雷州半岛地质条件和水文地质条件，在该区宜选用勿需盖层便可实现玄武岩中CO₂安全封存的Carbfix技术. 而且由于雷州半岛的玄武岩大多埋藏较浅，需选择第四纪火山口玄武岩或深部第三纪玄武岩夹层方可满足Carbfix技术对储层深度的要求.以徐闻县田洋破火山口玄武岩和勇士农场第三纪玄武岩这两个先导项目候选场址为例，分析了在这两类玄武岩中进行矿化封存的可行性、潜力及存在问题，指出对火山口玄武岩注水后的效应研究、玄武岩的深部和横向延伸的探测等是目前遇到的主要挑战，也需要对是否存在影响地下水资源的风险进行监测和研究.提出在雷州半岛有必要开发在中浅（如150 m以下）第四纪玄武岩中进行矿化封存的工艺，并提议在海边选址开展利用海水进行玄武岩CO₂封存的探索和试验，希望为扩大雷州半岛玄武岩矿化封存潜力服务，并为开发全球海底玄武岩碳封存资源的利用技术做出贡献.

Abstract

CO₂ mineralization storage in basaltis a new CCUS technique that enables the sequestration of CO₂ in basaltic areas for carbon reduction. The Leizhou Peninsula in the Guangdong Province of South China boasts a vast area covered by basalt, exceeding 3 000 km².The basaltic formations on the Leizhou Peninsula consist primarily of tholeiite and alkali olivine basalts, making it a promising candidate for CO₂ mineralization storage. This paper analyzed the geological and hydrological conditions of the Leizhou Peninsular and pointed out that the Carbfix technology, which allows safe storage of CO₂ without caprocks, is applicable to the area, However, the basalts in the peninsular are mostly shallowly buried, and only volcanic crater basalts and deeply buried Tertiary basalts might meet the minimum depth requirements of the Carbfix technology. Currently, Xuwun County's Tianyang Quaternary caldera basalts and the Yongshi Farmland's Tertiary basalts have been identified as potential pilot project sites. The geological and hydrological conditions at these two sites are reviewed, and favorable and unfavorable factors and potential for CO₂ storage are analyzed. The primary challenges currently faced are to investigate the safety issues of large⁃quantity water injection into the caldera basalts, and to detect the deep basal interface and lateral extension of the basalts. Additionally, the potential impacts of injected CO₂⁃changed water on underground water resources need to be monitored and investigated. The article proposes to develop techniques of storing CO₂ in shallower (e.g. <150 m) basalts, and suggests to conduct necessary experiments at a shore site to explore the feasibility and techniques of using seawater for basalt CO₂ storage. These actions will benefit not only expanding the potential of basalt mineralization storage on the Leizhou Peninsula, but also contributing to the study of utilizing global submarine basaltic carbon storage resources.

Graphical abstract

关键词

玄武岩CO₂矿化封存 / 碳捕集利用与封存（CCUS） / 封存选址 / Carbfix技术 / 雷琼火山岩 / 雷州半岛.

Key words

CO₂ mineralization storage in basalt / carbon capture, use, and storage (CCUS) / storage site selection / Carbfix technique / volcanics in Lei⁃Qiong areas / Leizhou Peninsular.

0 引言

玄武岩CO₂矿化封存是在玄武岩发育区实现减碳的一种新兴CCUS技术. 它将CO₂注入玄武岩，与含二价阳离子Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺的矿物发生化学反应生成碳酸盐，从而实现CO₂永久矿化封存. 地球上玄武岩分布占陆地面积的5%以上，占海洋面积的约70%，玄武岩CO₂矿化封存的潜力巨大（Oelkers et al.， 2008； Matter and Kelemen， 2009； Matter et al.， 2016）.

近十余年来，玄武岩CO₂矿化封存在国外已步入实践阶段，冰岛的Carbfix项目将CO₂溶液注入玄武岩，在两年内的矿化率可高达95%；美国华盛顿州的Wallula项目向玄武岩注入超临界态CO₂，23个月后被矿化封存的CO₂达60%. （McGrail et al.， 2006； IEAGHG， 2011，2017； Gislason and Oelkers， 2014； Snæbjörnsdóttir et al.， 2020）. 这两个项目的成功给在世界各地开展玄武岩矿化封存注入了信心，也开发了适用条件不同的两种封存技术. Wallula技术是传统的沉积岩CO₂封存技术向玄武岩的移植，向玄武岩注入超临界CO₂，因而要求储层深度大于800 m且具备有效盖层（McGrail et al.， 2014； White et al.， 2020）. Carbfix技术模拟玄武岩的自然风化过程，向玄武岩注入欠饱和的CO₂水溶液，储层中CO₂仅以溶解相和矿化相封存，不出现游离态CO₂，因而无需盖层也不存在泄漏风险. 该技术的封存容量是CO₂溶解度和注水量的乘积，为了尽可能达到最大溶解度和减少注水量，要求储层压力不小于25巴，亦即储层深度不小于潜水位以下约250 m （详见Snæbjörnsdóttir et al.， 2014，2020；周蒂等， 2024）.

我国对开展玄武岩CO₂矿化封存越来越重视，在学习国外的技术和经验的同时，进行了若干封存可行性研究和潜力评估（张舟等， 2012； 吾尔娜等， 2012， 2017； 李晓媛等， 2013；李万伦等， 2022a， 2022b； 张亮等， 2022；李鹏春等， 2023； 高志豪等， 2023； Zhang et al.， 2023；Cao et al.， 2024a，2024b）. 2022年，由腾讯投资，我国科学家与Carbfix团队合作，在雷州半岛开展了我国首个利用Carbfix技术进行玄武岩矿化封存的先导试验项目，目前已完成初步选址（张一驰， 2023）. 本文作者在上述工作中发现，国内对Carbfix技术的认识尚存在若干缺欠甚至误区，因而撰写了两篇系列文章. 第一篇较系统详细地介绍玄武岩二氧化碳矿化封存的技术（周蒂等，2024），而本篇则介绍广东省雷州半岛的实例，分析雷州半岛玄武岩CO₂矿化封存的地质和水文地质条件，介绍先导项目初选场址的概况，讨论在雷州半岛开展玄武岩矿化封存的潜力，说明Carbfix技术在该区具体应用中遇到的挑战，提出若干对策建议.

1 雷州半岛玄武岩矿化封存的条件

1.1　区域地质条件

雷州半岛位于广东省西南部、我国大陆的最南端，构造上是华南大陆边缘的北部湾盆地的陆上部分，亦称“雷琼坳陷”（广东省地质矿产局， 1996）. 雷琼火山岩分布在雷州半岛和海南岛北部，总面积超过7 000 km²，其中雷州半岛火山岩是雷琼火山岩的北部，面积3 136 km²，占雷州半岛总面积的38.5%，集中分布于雷南和雷北两区，形成山3个火山活动中心，即雷北的螺岗岭、东海岛龙水岭-硇洲岛，以及雷南的石峁岭（图1，2）（黄镇国等， 1993）.

雷琼火山岩的时代以第四纪占绝对优势，规模居我国九大第四纪火山岩区之首. 第四纪火山活动的形式以裂隙喷溢为主，形成熔岩锥和大面积玄武岩台地；兼有中心式爆发，形成火山碎屑岩锥和火山碎屑岩层. 雷州半岛见有71个火山锥、5个破火山口. 其空间分布受构造控制，常呈北西向排列. 多期火山活动在中更新世达到高峰，到全新世基本平息（黄镇国等， 1993； 罗树文， 1998）. 雷琼地区的第四纪玄武岩岩性主要为拉斑玄武岩和碱性玄武岩，主要矿物富含Ca²⁺、Mg²⁺和 Fe²⁺等二价阳离子，是适合于CO₂矿化封存的岩石类型. 这些玄武岩时代较新，蚀变较弱，原生孔隙充填较少，是CO₂矿化封存的有利条件.

雷琼地区的第四纪火山岩大部分出露地表或埋藏较浅（图1b），玄武岩之上不存在有效盖层，因此不满足Wallula技术的要求，宜采用Carbfix技术. 根据黄镇国等（1993）编绘的第四纪火山岩等厚度图（图1a），雷州半岛第四纪火山岩的厚度绝大部分小于250 m，其埋藏深度达不到Carbfix技术对储层埋深的要求，这是在雷州半岛开展玄武岩矿化封存的主要不利条件. 但在雷州半岛大量发育第四纪火山锥和破火山口内充填的火山岩可达很大厚度和深度，有可能满足Carbfix技术对储层深度的要求. 这些玄武岩一般裂隙较发育，渗透率较高，而且垂直渗透率远高于水平渗透率1

1 CarbFix场地玄武岩封存模拟得到玄武熔岩的垂直和水平渗透率分别为1 700 mD和300 mD (Aradóttir et al., 2012），火山口火山岩的垂直和水平渗透率之比可能会更大.

（Aradóttir et al.， 2012），CO₂溶液注入之后，会更容易向下渗透，从而利用更深部的储层. 其中由蒸汽火山喷发形成的破火山口，由于形成时的崩塌断陷和后期的沉积物充填，使玄武岩的埋藏深度进一步增大，对矿化封存更为有利.

雷州半岛可能符合储层深度条件的还有有第三纪玄武岩，在中新统下洋组海相沉积岩中呈夹层状出现，多见于钻孔中，分布零散，规模比第四纪火山岩小得多（图2）（孙嘉诗， 1991； 黄镇国等， 1993；韩江伟等， 2009）. 这些玄武岩一般埋深较大，而且其上有可能存在有效盖层，因此采用两种封存技术的可能性都存在.

1.2　水文地质条件

雷州半岛属热带季风气候区，年平均气温22.5 ℃，年降水量1 500 mm，降水丰富但旱季/雨季相差很大，加之蒸发量大，地表径流短小，历史上干旱频发. 但雷州半岛地下水丰富，成为当地淡水的重要来源. 据2016年的数据，雷州半岛生产水井共有28 591眼，地下水供水能力为 5.61亿m³/年（张胜华， 2016）.

雷州半岛地下水包括松散岩类孔隙水和火山岩孔洞裂隙水两大类. 松散岩类孔隙水主要赋存于早更新世湛江组及早中新世下洋组沉积岩中，可分为浅层水-微承压水（埋深<30 m）、中层承压水（埋深30~200 m）和深层承压水（埋深200~500 m）（张国梅， 1993）. 浅层水和中层水符合饮用水标准，是目前生活和工业用水的主要供水层. 深层水遍布全区，一般1~10层，总厚40~265 m，埋深随地形变化，自台地向沿海变浅，在河谷洼地及沿海部分地区自流泄出. 从埋深来看，与玄武岩矿化封存关系较大的主要是深层承压水，其类型主要为HCO₃⁃Na型，矿化度0.07~0.50 g/L，pH值6.0~7.5，除Fe、Mn偏高外符合饮用水标准（温汉辉， 2013）.

火山岩孔洞裂隙水赋存于气孔状或绳状玄武岩、风化裂隙发育带及火山碎屑岩中，间夹厚度较大的古红土和致密玄武岩成为相对隔水层. 含水层厚度变化大，火山锥附近可大于150 m，向火山口外方向变薄甚至尖灭. 水的类型主要为HCO₃⁃Na型，矿化度一般<0.4 g/L，仅西部和西南沿海有矿化度1~3 g/L的微咸水（姚锦梅等， 2007）.

雷州半岛地下水的补给主要为降雨，其次为水库和渠道泄漏；补给方式以垂向渗漏为主. 火山孔洞裂隙水是区内重要的补给水源，在水平径流的同时，还在水头压力差作用下，穿透多层含水层，垂直越流补给承压水；也可通过贯穿地层的火山喷发通道或通过隔水层缺失的天窗与松散岩类含水层发生水力联系（温汉辉， 2013； 张国梅， 1993）. 以火山锥为中心的放射状水平径流的水力坡度，雷南火山锥附近为0.7%~2.0%，台地区0.45%~2.50%，沿海地区0.18%~0.20%（孔中恒， 2004）.

雷州半岛平均地热梯度3.7 °C/100 m，在火山岩发育区地温梯度低于3 ℃/100 m，呈现地热负异常特征，说明火山活动的余热已完全散失，而且由于火山岩成为地下水补给区而降低了地温（陈墨香等，1991）. 雷州半岛地下水水温多在25 ℃左右，个别深井揭示600 m深处地下水温度达43.6 ℃（姚锦梅等，2007）. 较低的地下水温度有利于CO₂保持较高的溶解度，但不利于二价阳离子从矿物中析出（详见周蒂等，2024）.

综上述，雷州半岛的玄武岩的孔洞裂隙水可为开展玄武岩矿化封存提供充足的水源，其十分发育的水平径流和垂向越流为CO₂溶液的运移提供了动力，也有利于矿化反应的进行.

2 先导项目初选场址概况

由于雷州半岛玄武岩大部分埋深较小，目前封存选址聚焦于有可能具较大埋深的第四纪火山口玄武岩和第三纪玄武岩. 通过考察，在雷南石峁岭火山岩台地内选择了田洋盆地破火山口玄武岩和勇士农场的第三纪玄武岩作为封存先导项目的优选场址，其区域位置见图1a及图3.

2.1　田洋盆地

田洋盆地位于徐闻县曲界镇，雷南石峁岭火山岩台地的东坡，是一个被后期沉积物充填的破火山口. 盆地呈NW⁃SE向延伸，长4.1 km，宽3.1 km，面积8.1 km²，盆底标高98 m，盆缘标高约120 m（图4a）. 盆地基底面截面呈碗形（图4b），中心部分充填的沉积物厚度约222 m，下部为179 m厚的田洋组（Q₃¹）深-浅湖相硅藻土和黏土，上部为39 m厚的下录组（Q₃²）沼泽相泥炭土和粉砂质淤泥，顶部有薄层全新统黏土. 盆地基底为中更新世石峁岭期（Q₂¹）和早更新世湛江期（Q₁¹）火山岩；古火山口直径约200~400 m，约为早期湖盆的直径的十分之一（黄镇国等， 1993）. 田洋火山湖是世界上最大的干玛珥湖之一，其厚层沉积物为研究古气候演变提供了理想场所，其硅藻土和地下水也具有资源价值，因此历年来地质工作程度较高，出版文献较多 （陈俊仁等， 1990； 周永清， 1990； 黄镇国等， 1993； 隋淑珍等， 2003； 汪苗等， 2019）.

位于盆地中央的#275井是迄今盆地中唯一深度超过230 m的钻井，揭示了基底以下到486 m深度的古火山口玄武岩（图5）. 该井钻于1977年，如今岩心已难寻；文献中搜集到的井中岩心的岩石定名、测年、化学成分及CIPW矿物组成见表1.

根据陈俊仁等（1990）的描述，田洋盆地的火山活动包括两期多次喷发. 早期喷发了火山角砾岩和玄武凝灰岩；角砾成分有玄武岩、湛江组砂页岩、石英和丰富的海生贝壳碎片. 玄武凝灰岩成分为玄武岩碎屑（10%~20%）、石英（5%~10%）、橄榄石（1%~8%）以及火山玻璃质胶结物（50%~70%）. 第二次喷发形成气孔状玄武岩和致密玄武岩互层，矿物成分主要有拉长石（55%~70%）、普通辉石（20%~40%）、橄榄石（1%~3%）及微量磁铁矿.

田洋盆地充填的硅藻土和碎屑沉积含水量丰富. 盆地基底的玄武质集块岩和火山角砾岩孔隙裂隙发育，也是良好的含水层（张国梅， 1993）. 由于破火山口形成过程中曾产生崩塌．火山碎屑岩下陷较深，有可能与湛江组和下洋组承压水层直接接触，成为补给承压水的通道（张国梅， 1993）.

按Carbfix技术的选址要求，田洋盆地是迄今我们考察地点中的最佳场址. 其基底火山岩岩性主要为橄榄拉斑玄武岩及玄武质火山碎屑岩，玄武玻璃和橄榄石都有一定含量，且孔隙和裂隙发育，含水丰富，这些都对矿化封存有利. 相对于其他已考察地点，田洋盆地的最独特优点是火山岩埋藏深度大且绝对高程低. 由于破火山口的塌陷，盆地中心部位的玄武岩埋深从222~486 m未见底，总厚度超过264 m. 根据#275副井的抽水试验记录，其地下水水位在井深约8 m处. 若按Carbfix技术要求储层深度不小于水位以下250 m，则储层上界面应是在约258 m的井深处的玄武岩中，距#275井底还有228 m厚的玄武岩，若都能用作储层，则封存潜力可观. 此外，田洋盆地地面高程较低（98 m），因而火山岩储层的绝对高程更低（-124 m以下），从而减少了储层与浅部承压水层发生水力联系的可能性，也对降低环境风险有利.

田洋盆地作为矿化封存场地尚待解决问题主要有：（1）#275井仅揭示火山口附近的情况，而整个盆地的火山岩厚度、结构和岩性变化尚无资料，对地下水赋存状况和流向流速知之甚少；（2）盆地中央古火山口为田洋村所在地，盆地内部和周缘还有若干村庄和大片良田，盛产菠萝；地方政府和村民对封存项目可能对居民生活等方面带来的影响存在顾虑.

2.2　勇士农场

勇士农场位于田洋盆地以西、石峁岭火山锥南东，位于石峁岭火山岩台地的中心部位（图3）. 石峁岭火山岩台地是雷州半岛第四纪玄武岩分布面积最大和厚度最大的地区（图1），该区迄今钻遇的地层自上而下可分3部分：上部为中更新世石峁岭组火山岩，中部为下更新统湛江组粘土及下中新统下洋组的碎屑沉积，下部为含较多玄武质火山岩夹层的下洋组碎屑沉积（图3a、3b）.

勇士农场的石峁岭期玄武岩在地表多已风化成红土，其下见普通玄武岩、玻质玄武岩、橄榄玄武岩、粒玄岩等，斑状、气孔状或致密结构，部分破碎、伊丁石化或蛇纹石化，岩性符合矿化封存要求. 根据广东省第四地质大队的资料，该区有#722、#286、#284三口井穿透石峁岭期玄武岩，揭示其厚度分别为159 m、223 m和132 m，而该区水位深度在1~15 m，显然这套玄武岩埋深达不到Carbfix技术对储层深度的要求.

但#722井和#284井在穿透石峁岭期玄武岩及厚约100~200 m的沉积层之后，进入下洋组下段，钻遇下洋组下部所夹的多层第三纪玄武岩（图6）. #722井在353.6 m以下见厚10.7 m橄榄玄武岩，394.5 m以下到450.8 m（终孔）见玄武岩及凝灰岩密集段，除夹两薄层泥岩外，火山岩净厚49.4 m未见底. 文献中搜集和本次采集的勇士农场玄武岩样品的化学成分和标准矿物成分数据见表2. 这些样品的岩性基本符合矿化封存要求，但采集井位和深度缺乏资料，估计来自勇士农场场部附近.

#722井深部的第三纪玄武岩夹层密集段是否可作为先导项目的目标储层，除了需要钻取这些层位的岩心以获得岩石类型及其他地质和水文参数之外，还需要了解其横向展布，为此将#722井和#284井进行了对比（图6）. #284井在#722井东北方向约8 km，在下洋组内249~319 m深度钻遇70 m厚的火山岩集中段，向下隔18 m沉积岩又见19 m火山岩，岩性均为火山角砾岩和玄武质凝灰岩. 这两口井所见的玄武岩在岩性上相差较大，根据目前的资料很难判断是否相连. 为探测火山岩的地下延伸布置了若干大地电磁剖面，但分辨率尚未达到所需的探测效果2

2 中英（广东）CCUS中心内部报告（2022）

. 由于第三纪玄武岩层厚度一般不很大，而且上覆100~200 m的沉积岩及类似厚度的石峁岭期玄武岩，用大地电磁或多道地震手段来识别第三纪玄武岩层有较大难度.

综上所述，勇士农场的第四纪玄武岩埋深太浅，而第三纪玄武岩基本满足Carbfix技术的储层深度要求，也有一定厚度，有望成为先导项目的目标储层，但需要对其横向展布及其他影响矿化封存的地质和水文地质条件进行补充研究.

3 封存潜力、挑战和对策

3.1　封存潜力估计

与Wallula和Carbfix两个项目场地相比，雷州半岛在玄武岩封存的地质条件和工作基础两方面都有很大差距. 从地质条件来说，Wallula和Carbfix两个项目都位于世界级规模的玄武岩发育区，分布面积分别为12.3万km²和10.3万km²，玄武岩总厚度以公里计. 而雷州半岛玄武岩分布面积约0.3万km²，不到Carbfix项目玄武岩面积的1/30；火山岩厚度则相差更远.

表3列出了迄今对雷州半岛及雷琼地区第四纪玄武岩CO₂封存潜力的估计结果及相应的方法和参数，其中对雷琼地区的数据可乘以雷州半岛玄武岩面积占比（约0.56）来与雷州半岛的估值粗略对比.

表中采用的潜力评价方法适用于提供规划和选址阶段参考. 由于雷州半岛玄武岩的CO₂封存需采用按自然类比思路设计的Carbfix技术，封存潜力的估计宜采用Carbfix团队开发的自然类比法. 该法依据对冰岛3个地热田钻孔岩屑中次生方解石含量的统计，得出单位体积的CO₂封存容量在18.8~48.7 kg/km³范围，乘以待估玄武岩储层的体积，便得到理论封存容量的估计值（Wiese et al.， 2008； Snæbjörnsdóttir et al.， 2014）. 李鹏春等（2023）根据黄镇国等（1993）的雷州半岛第四纪玄武岩厚度等值线图求出玄武岩体积，乘以上述参数，得出的雷州半岛第四纪玄武岩的封存潜力为4.8~12.5亿吨CO₂. Carbfix（2021）的估计也可能是采用这个方法，但得出的雷州半岛封存潜力估计值（按面积占比折算）为56~560亿吨CO₂，比李鹏春等（2023）的估计值要大数十倍；差别的原因是采用的厚度数值不同，李鹏春等（2023）从等值线图读出的厚度数值显然较为接近实际.

上述潜力估计都以全部玄武岩体积参加计算，这是不恰当的. 由于Carbfix技术要求储层深度不小于潜水面以下250 m （Snæbjörnsdóttir et al.， 2020），对理论封存潜力的估计应该从该深度算起，类似于传统的沉积岩的理论封存潜力估计要从约800 m的CO₂超临界深度算起. Snæbjörnsdóttir et al.（2014）在估计冰岛裂谷带的矿化封存潜力时也只是考虑500~1 500 m深度内的玄武岩. 雷州半岛的潜水面深度即使设为零，储层深度也应不小于250 m，所以表2.1中计算的矿化封存理论潜力偏高.

如前所述，雷州半岛的第四纪火山口玄武岩和第三纪玄武岩有可能符合Carbfix技术储层深度条件. 雷州半岛见有众多的第四纪火山锥和破火山口，其玄武岩厚度较大，裂隙发育，如田洋盆地所见；可形成众多小型优质封存场地，总的封存潜力也可能很大. 第三纪玄武岩以沉积岩中的夹层状出现，在密集段的净厚度可超过50 m，如勇士农场所见，也具有形成小型封存场地的可能. 总之，雷州半岛有形成由众多小型封存场地的条件，采用施工方便、成本低廉的Carbfix技术，有望达到可观的总体减碳目标.

3.2　挑战和对策建议

在雷州半岛为玄武岩CO₂矿化封存选址的实践不仅使我们对该技术有了更深的理解，也对相关的认知缺欠、技术挑战及今后的研发方向有了一些新的设想.

（1）对田洋盆地和勇士农场两个场址的分析表明，在雷州半岛第三纪玄武岩和火山口玄武岩中开展CO₂矿化封存的基本条件具备，但也面临一些挑战. 对于火山口玄武岩矿化封存迄今尚无先例可借鉴. 虽然雷琼地区的火山活动在全新世就已停止，最新的同位素年龄是0.1 Ma （黄镇国等， 1993），而且火山岩区地热梯度偏低，显示火山余热已完全散失（陈墨香等， 1991），但向火山口注入大量CO₂水溶液之后对深部温压条件会有什么影响，矿化过程中矿物的溶解和沉淀等化学反应是否会引起岩体力学性质的改变，从而诱发地震或引起其他地质灾害，或者产生一些目前没有预料到的问题，都需要进行调查和评估.

第三纪玄武岩一般埋深较大，目前工作程度较低，有关其总体规模及单个夹层的空间分布、岩性岩相及成分结构等知之甚少. 由于火山岩夹层的厚度有限且岩相变化剧烈，其横向延伸较难对比；加之上覆约100~200 m的沉积层以及大致相同厚度的第四纪玄武岩（图1b），进行地球物理探测的难度较大，能否找到有效的探测技术非常关键.

两类场地面临的一个共同挑战是地下水资源保护的问题. 地下水是雷州半岛的生活和工业用水的主要来源，开展玄武岩矿化封存要用大量地下水制成CO₂溶液注入储层，经过矿化反应后又要将剩余水抽出，这个过程中玄武岩储层与围岩之间有可能发生水的交换，是否会污染地下水是必须考虑的重要问题. 对冰岛火山玄武岩的研究表明，在CO₂注入的最初几小时，由于硅酸盐矿物的分解，地下水中溶解的Al、 Fe、Cr和Mn等金属离子的含量曾上升至超过欧盟饮用水标准，但之后随着碳酸盐化的进程这些金属会重新固化到方解石等次生矿物之中（Flaathen et al.， 2009； Olsson et al.， 2014）. CarbFix项目在注入175 t CO₂之后，监测井水样中金属离子含量均未超过饮用水标准，表明由于次生矿物的净化作用，矿化封存作业对水质的影响不大（Snæbjörnsdóttir et al.， 2014）. 但是，鉴于迄今此类研究和监测还太少，还要在更广泛的地区取得更多的数据才有可能得出结论. 在雷州半岛实施封存项目时，还是需要尽量排除注入水进入承压水层的可能性，不能排除时也要针对CO₂矿化反应对地下水质的影响布置详细的监测工作.

（2）对于类似雷州半岛第四纪玄武岩这样的浅埋且厚度有限的玄武岩，开展CO₂矿化封存除了利用火山口玄武岩以外，还应该探索开发利用较浅玄武岩的途径. 若能将储层最小深度上升为中浅层如150 m，就可能在雷州半岛第四纪玄武岩的中下部获得可观的封存容量，使雷州半岛具备实现大规模玄武岩矿化封存的潜力. 主要挑战是如何提高较浅层温压条件下CO₂的溶解度和矿化反应速率，涉及化学、热力学等多方面的问题. 国内外在利用CO₂的矿化反应处理矿渣或生成建材方面已有一些探索（如：Pan et al.， 2017； Power et al.， 2020； Li et al.， 2023），其成果和经验也值得借鉴.

（3）在海滨或海岛进行玄武岩矿化封存的选址也许是一个可能的对策，尤其是在先导试验阶段. 首先是因为这里便于开展利用海水代替地下水进行CO₂矿化封存的研究和试验；而利用海水的好处有：1）有无限的水源和处置地，因而不在乎用水量大；2）污染地下水资源的风险极小甚至可排除. 而且，利用海水是实现海洋玄武岩碳封存必需攻克的技术（Wolff⁃Boenisch， 2011； Ho and Iizuka， 2023）. 雷州半岛的一个较理想的选址地是湛江市东海岛龙水岭-硇洲岛玄武岩（图1），这是雷州半岛的三个第四纪火山活动中心之一，面积约132 km²，火山岩平均厚度约75 m. 钻井揭示硇洲岛火山岩上部为橄榄玄武岩，中、下部为火山角砾岩和凝灰岩，厚185 m，时代为中更新世早期到上更新世早期（黄镇国等， 1993），可用于中浅玄武岩的矿化封存试验. 东海岛有多口井钻遇下中新统下洋组的玄武岩，RS5215井揭示埋深207~367 m，所以在那里选址还可探索利用第三纪玄武岩的可行技术. 岛上的宝武钢厂可为玄武岩矿化封存提供丰富的碳源；而玄武岩矿化封存也可为钢厂减碳提供新的途径. 在玄武岩矿化封存中利用海水代替淡水是一个开拓性很强的课题，还存在许多机理性问题有待解决，需要基础研究和工程实践的密切配合（Goldberg et al.， 2008； Wolff⁃Boenisch， 2011；Marieni et al.， 2021； Ho and Iizuka， 2023）. 如果能在东海岛龙水岭-硇洲岛开展利用海水进行玄武岩矿化封存的试验，我们可同时对第四纪火山口玄武岩、中浅层玄武岩和第三纪玄武岩的矿化封存理论和技术进行研究和开发，其成果不仅有望为扩大雷州半岛玄武岩矿化封存潜力服务，还有望为开辟海洋玄武岩碳封存的巨大潜力做出贡献.

4 结语

雷州半岛位于我国著名的雷琼火山岩区的北部，火山岩分布面积超过3 000 km²，火山活动以裂隙喷溢为主，兼有中心式喷发；岩性以拉斑玄武岩、碱性橄榄玄武岩、玄武碎屑岩为主，符合玄武岩矿化封存的基本岩性条件. 火山岩年龄以第四纪为主，第三纪次之，蚀变相对较弱，也是有利条件. 因此雷州半岛的玄武岩矿化封存潜力引起了重视，开展了以先导项目选址为目的的调查研究. 由于雷州半岛玄武岩大多埋藏较浅，不存在有效盖层，选择了勿需盖层的Carbfix技术. 经过区域性评估和两个候选场址的调查，发现雷州半岛的第四纪玄武岩存在埋藏较浅的问题，大多达不到Carbfix技术要求储层深度大于潜水位以下约250 m的条件，因此在封存的潜力评价、选址和施工设计上还不能直接套用国外的成功经验，需要进行有针对性的研究.

本文提出了解决雷州半岛第四纪玄武岩埋藏较浅问题的两个可能的对策：（1）利用埋深较大的玄武岩，如第四纪火山口玄武岩和深部第三纪玄武岩夹层；（2）研究开发利用中浅（如150 m以下）玄武岩进行封存的工艺. 对田洋盆地和勇士农场这两个候选场地的调查研究显示了在这两类玄武岩中进行矿化封存的可行性. 雷州半岛有71个火山锥和5个破火山口，已发现若干深部第三纪玄武岩夹层分布区，这些玄武岩有可能满足提供众多的小型封存场地，达到较大的总体封存容量. 上述两方面都存在一些需要解决的问题：如第四纪火山口玄武岩在大量CO₂水溶液注入后是否有环境风险的问题，第三纪玄武岩的分布、厚度和横向延伸如何有效探测的问题，以及所有途径都会遇到的是否会影响地下水质的问题，等等，都需要通过理论研究与工程实践相结合的途径来解决. CarbFix技术具有低成本、易作业的优势，但作为一项新技术还面临许多挑战. 本文还提出了在海边选址（如湛江市东海岛龙水岭-硇洲岛）开展利用海水注入进行玄武岩矿化封存试验及开发中浅玄武岩矿化封存工艺的设想，希望为扩大雷州半岛玄武岩中CO₂矿化封存潜力服务，同时也为开辟海洋玄武岩碳封存的目标做出贡献.

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基金资助

国家重点研发计划(2021YFF0501202)

广东省基础与应用基础研究基金(2021A1515011298)