Ученые из Тринити-колледжа в Дублине и их итальянские коллеги из Института геонаук 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 удаления. Наиболее перспективным способом считается минерализация: 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.
Ирландские исследователи 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. Причем образование этих минералов шло по строгой последовательности. Сначала у поверхности базальта образовались богатые кальцием протодоломиты, затем, по мере истощения запасов кальция, 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.
Исследователи смогли даже оценить скорости 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 – от нескольких десятков до сотен лет. Расчеты показали, что средние скорости роста кристаллов составляли от 10⁻¹⁴ до 10⁻¹¹ метра в секунду. Чтобы проверить достоверность этих оценок, данные сравнили с лабораторными экспериментами по осаждению магнезита при разных температурах. Совпадение оказалось поразительным: при 100 °C скорость образования минерала возрастала в миллионы раз по сравнению 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 °C, 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 долговременной фиксации углекислого газа в недрах. Железистые карбонаты, напротив, оказались нестабильными: при окислении они разрушаются, высвобождая железо и оставляя за собой пустоты. Однако эта особенность имеет и положительный эффект – возникающая вторичная пористость обеспечивает доступ свежих растворов и поддерживает дальнейшее связывание CO₂.
Тем самым исследование ирландских и итальянских геологов впервые показало, что магнезит и доломит, самые ценные минералы для климатической стратегии, образуются естественным образом именно в условиях умеренно горячих гидротермальных систем, при 60-220 °C и в растворах с легкой кислотностью (pH 5-6). Этот результат дает инженерам прямую подсказку: 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.
