澳大利亚和新西兰超基性岩石中的碳酸盐流体流动：通过X射线计算机断层扫描成像技术评估裂缝导流性及矿物变化

《Geoenergy Science and Engineering》：Carbonated Fluid Flow through Ultramafic Rocks from Australia and New Zealand: Assessing fracture transmissivity and mineral changes via X-ray computed tomography imaging

研究通过干CO2和碳酸盐水注入实验，结合μCT和干涉仪分析，揭示了超镁铁岩 fractured 地层中矿物转化（蛇纹石化、橄榄石水化）与裂缝渗透性动态关系，发现碳酸盐水导致渗透性非线性下降，而干CO2影响较小，矿物体积变化与温度、压力及反应时长显著相关。

　　在当前全球碳减排的大背景下，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是实现碳中和目标的重要手段之一。特别是在硬难减排行业，如水泥、钢铁和能源生产领域，CCUS技术被广泛视为减少温室气体排放的关键途径。然而，实现CCUS的广泛应用不仅依赖于技术本身的成熟度，还涉及对封存介质及其物理化学行为的深入理解。本文旨在探讨CO?注入对裂隙超基性岩石中矿物转化和裂隙渗透性的影响，从而评估其在原位碳矿物化方面的潜力。超基性岩石，如橄榄岩和蛇纹岩，因其富含镁（Mg2?）等二价阳离子，成为碳矿物化研究的热点对象。这些岩石在自然界中广泛分布，尤其是在蛇绿岩带和构造边缘，为碳封存提供了理想的地质环境。研究CO?注入对这些岩石的矿物学和力学特性的影响，对于提高碳封存效率、优化工程设计和推动大规模应用具有重要意义。

研究团队通过一系列实验，对澳大利亚和新西兰的超基性岩石样本进行了深入分析。实验中，使用了高压力三轴装置，模拟了地层中的实际温度和压力条件。实验过程中，研究人员通过X射线微计算机断层扫描（μCT）和干涉测量技术，对岩石体积变化、裂隙渗透性以及表面形态的变化进行了定量监测。这些技术手段不仅能够提供高分辨率的三维图像，还能准确测量岩石表面的微观形貌变化，从而揭示矿物转化过程对裂隙行为的潜在影响。实验结果显示，CO?的注入对裂隙渗透性的影响较小，而碳酸水的注入则表现出显著的渗透性变化，这种变化在初期较为剧烈，但随后趋于稳定。这一现象表明，碳酸水的注入过程涉及复杂的矿物反应机制，包括水化和蛇纹岩化反应，这些反应在一定程度上改变了岩石的结构，从而影响了裂隙的渗透性。

在实验中，研究团队特别关注了不同岩石类型和不同实验条件下的反应行为。例如，GHQ-3和GHQ-7样本分别在25°C和55°C下进行测试，结果显示温度对矿物转化速度和裂隙渗透性变化具有显著影响。在较高的温度条件下，矿物转化过程加快，导致裂隙渗透性下降更为明显。而GHQ-9样本由于其较低的蛇纹岩含量和较高的橄榄石含量，表现出不同的反应趋势。这些差异表明，岩石的矿物组成在碳矿物化过程中起着至关重要的作用。例如，蛇纹岩由于其层状结构，能够吸收更多的水分，从而导致体积膨胀和裂隙渗透性变化，而橄榄石则可能在水化过程中形成新的矿物相，进一步改变岩石的物理性质。

实验数据还揭示了裂隙表面形态的变化趋势。通过干涉测量技术，研究人员能够精确测量岩石表面的微观粗糙度和形貌变化。结果显示，碳酸水注入后，岩石表面的粗糙度发生了显著变化，某些样本的表面峰值高度增加，而其他样本则表现出表面凹陷的增加。这种变化可能是由于矿物溶解和沉积的动态过程所导致的。例如，GHQ-5和GHQ-8样本在碳酸水注入后，表面粗糙度和峰值高度的变化表明其经历了一定程度的矿物溶解，而GHQ-9样本则由于较高的橄榄石含量，表现出更显著的矿物转化现象。此外，GHQ-9样本的表面凹陷减少，表明其可能经历了某种形式的矿物沉积或体积膨胀。

值得注意的是，实验过程中还观察到一些复杂的相互作用。例如，在注入碳酸水时，尽管渗透性有所下降，但随着时间的推移，这种变化趋于稳定。这可能是因为矿物转化过程中的某些反应机制，如水化和蛇纹岩化，逐渐达到平衡状态。相比之下，干CO?注入则表现出更稳定的渗透性，这可能是由于干CO?在注入过程中没有发生显著的化学反应，主要依赖于物理条件的变化。这种差异为未来在不同地质条件下优化碳封存策略提供了重要依据。

此外，研究团队还探讨了实验条件对矿物转化和裂隙渗透性的影响。例如，在不同的温度和压力条件下，矿物转化的速度和程度有所不同。在较高的温度和压力条件下，矿物转化反应可能更加剧烈，导致裂隙渗透性下降更为显著。然而，这种变化是否能够持续，或者是否会受到其他因素的影响，如岩石的初始孔隙结构、矿物的分布以及注入速率等，仍需进一步研究。同时，实验还发现，在某些情况下，矿物转化可能引发新的裂隙形成，这可能对碳封存的长期稳定性产生影响。

在实验设计方面，研究团队采用了多种方法，以确保实验结果的可靠性和可重复性。例如，通过使用三轴装置模拟地层中的应力条件，研究人员能够更好地理解裂隙在不同压力下的行为。同时，通过精确控制注入速率和压力，确保实验条件的稳定性。此外，为了减少实验误差，研究团队还对样本进行了预处理，如切割、打磨和固定裂隙面，以确保实验的可重复性和数据的准确性。

研究结果对于未来的碳封存工程具有重要的指导意义。首先，它表明在选择碳封存地点时，必须充分考虑岩石的矿物组成和地层条件。例如，含有较多蛇纹岩的岩石可能更容易发生体积膨胀，从而影响裂隙的渗透性。其次，研究结果强调了碳酸水注入与干CO?注入在封存效果上的差异，这为不同封存策略的优化提供了理论支持。例如，在某些情况下，碳酸水注入可能更适合促进矿物转化，而在其他情况下，干CO?注入可能更有利于保持裂隙的渗透性。因此，在实际工程应用中，需要根据具体地质条件选择合适的注入策略。

最后，研究团队指出，虽然当前实验主要集中在特定的温度和压力范围内，但未来的研究应进一步扩展实验条件，以更全面地理解碳矿物化过程的复杂性。例如，探索更极端的温度和压力条件，或者更长的反应时间，以评估不同因素对矿物转化和裂隙渗透性的影响。此外，研究团队还提到，需要进一步开发更精确的模型，以更好地预测和模拟碳矿物化过程中的物理和化学变化，从而为实际工程设计提供更可靠的理论依据。这些研究不仅有助于提高碳封存技术的效率，也为全球碳减排目标的实现提供了科学支持。