“金伯利岩的吸碳能力”研究文章

　　作为新树木的钻石

　　全球气候变化已成为当代最严峻的挑战之一。大气中二氧化碳（CO₂）浓度的增加加剧了温室效应，导致全球气温升高。尽管政客们夸夸其谈，环保活动家们也不遗余力，但气温仍在持续上升。人们正在开发创新方法来应对这一现象，但当今人工利用 CO₂的技术过于昂贵，只能在非常有限的范围内应用。不过，在某些领域，大自然本身——更确切地说，是地球底土——提供了一种解决方案。一组俄罗斯研究人员最近的研究发现，开采钻石的矿石金伯利岩是一种很好的二氧化碳吸收剂。这种特性在加工厂用水加工矿石时表现得淋漓尽致。这一发现不仅有可能减少碳足迹，还促使我们重新审视天然钻石原石和抛光钻石在解决环境问题方面的价值。

　　什么是金伯利岩及其开采方法

　　金伯利岩是一种与钻石矿藏密切相关的火成岩。几亿年前，它在地球地幔深处 200 千米处的高压和高温下形成。当熔融的金伯利岩浆上升到地表时，会冷却并形成金伯利岩管道，这些管道可以延伸到几公里深的地方。

　　这种矿物是以南非金伯利镇的名字命名的，19 世纪在这里发现了第一个大型宝石矿藏。在此之前，钻石主要是从印度戈尔康达地区和巴西的冲积矿床中开采出来的。20 世纪 50 年代中期，苏联发现了第一批金伯利岩管，当时苏联急需可靠的钻石来源用于工业目的。如今，俄罗斯在金伯利岩开采方面处于全球领先地位。这种含钻石岩石的主要矿藏位于雅库特（西伯利亚）和俄罗斯西北部，特别是阿尔汉格尔斯克州。这里每年加工数千万吨金伯利岩，出产的钻石约占世界钻石总量的四分之一。

　　在俄罗斯，金伯利岩管采用露天或地下方式开采。从露天矿或地下矿开采出的有价值岩石被运往工厂，在那里采用湿法工艺技术。矿石用水粉碎，从较小的碎石中提取宝石。平均而言，一吨矿石含有约一克拉钻石，相当于0.2克。之后，被粉碎的废石会以湿的形式被运到被称为尾矿坑的特殊储存区。

　　雅库特金伯利岩的独特性质

　　金伯利岩属于碱性超基性岩。除了作为钻石来源的价值外，它还含有多种矿物，包括橄榄石、辉石等，这些矿物都能与二氧化碳发生化学反应。吸收二氧化碳的关键机制是碳化作用，即二氧化碳与金伯利岩中的矿物相互作用形成稳定的碳酸盐化合物的过程。原始矿物（如橄榄石、辉绿岩和鳞片辉石）捕获二氧化碳，形成钙镁碳酸盐，这是地球沉积岩的基础。这一过程使碳几乎永远以稳定的形式被“锁住”。这种方法比树木吸收二氧化碳要可靠得多，因为树木可能会燃烧，而石灰石不会。

　　碳化过程的强度在很大程度上受金伯利岩中二氧化硅含量的影响：源岩中石英含量越高，与二氧化碳反应的能力就越低。相反，原始金伯利岩中橄榄石、辉绿岩和辉石等超基性矿物含量越高，其吸收能力就越强。而这些矿物的含量又取决于金伯利岩管中的矿石在古生代中期形成以来的3亿至3.5亿年中保持其原始化学成分的程度。在金伯利岩管受到地下水和地表水携带的CO₂严重影响的地方，矿石的矿物成分可能会发生巨大变化（如非洲的一些钻石矿床），导致今天的吸收潜力较低。然而，在金伯利岩管长期处于相对惰性条件下的地方（如俄罗斯远北地区），矿石最大限度地保留了橄榄石和辉绿岩。这种金伯利岩管最显著的例子是雅库特的钻石矿床，自形成以来的数百万年中，其化学变化微乎其微。

　　科学家们发现了什么？

　　超基性岩吸收大气中 CO₂的能力早已为人所知，科学文献中时不时就会提到这种能力。然而，这种现象并没有实际意义，就金伯利岩而言，主要是在勘探钻石矿藏的背景下进行研究的。最近，科学家们开始探索金伯利岩在促进实现环境和气候目标方面的潜力。俄罗斯研究人员在这一领域取得的进展最大，因为他们的目标是对二氧化碳吸收量进行量化评估，并确定有助于提高吸收强度的因素。

　　2021-2023 年，包括莫斯科国立罗蒙诺索夫大学科学家在内的一个研究小组在雅库特和阿尔汉格尔斯克地区对通过加工过的金伯利岩进行碳化来补偿温室气体排放的潜力进行了全面研究。

　　研究的重点是从金伯利岩管道中获取的原矿芯样本，以及在加工和钻石提取后送往尾矿坑储存的矿石加工产品。将存放在尾矿坑中1个月至10年的样本的化学成分与从井中获取的原矿芯样本的化学成分进行了比较。采用了多种分析方法，包括红外光谱、CHN元素分析、X射线衍射光谱等。研究结果表明，在数年的时间里，水和大气中的 CO₂对原矿造成了化学变化。

　　实验证据证实，加工后的岩石样本中的碳化产物只能通过在加工阶段吸收大气中的CO₂并随后储存在尾矿坑中而形成。实验证明，这种反应实际上是立即开始的，即在采出的金伯利岩首次与空气接触时就开始了，在尾矿坑储存加工过的金伯利岩的第一年吸收的二氧化碳量最大。

　　科学家们认为，除了雅库特金伯利岩的独特性质外，还有其他一些因素增强了它们在工业加工过程中吸收二氧化碳的能力。

　　首先，俄罗斯加工厂对开采出的矿石进行初步处理时，需要使用大量的大型滚筒研磨机。由于二氧化碳在水中的溶解度远高于其在空气中的浓度，因此这些水可作为输送二氧化碳的介质。

　　其次，二氧化碳和其他气体的溶解度取决于温度：水越冷，溶解度越大。因此，雅库特恶劣的气候加速了这一过程。

　　对雅库特金伯利岩的研究结果超出了最大胆的预期，每吨加工矿石平均吸收82千克二氧化碳。这意味着，仅一辆矿车中的矿石就足以吸收10,000人每天呼出的二氧化碳或一辆沿赤道环游地球的汽油汽车所产生的二氧化碳。

　　前景

　　技术监督组织目前正在核实俄罗斯研究人员获得的数据和发现。也就是说，俄罗斯金伯利岩每年有可能吸收250万至300万吨二氧化碳，这比开采、加工和生产钻石产生的二氧化碳当量温室气体排放量高出1.5倍。

　　与全球各地申报和实施的其他CCS（碳捕集与封存）项目相比，金伯利岩项目因其成本效益而具有巨大优势。其他碳捕集与封存技术大多依靠将超基性岩中的气态二氧化碳溶解在水中并注入500米深的玄武岩储层中，从而使其矿化，这需要耗费大量能源。Orca Carbfix是瑞士气候工程公司在冰岛世界上最大的地热发电厂所在地实施的最成功的项目，需要大量的运营费用。据项目设计团队称，二氧化碳捕获成本超过每吨几百美元，目标（使其具有竞争力）是每吨二氧化碳 100-150 美元。由于金伯利岩会自然吸收二氧化碳，相关成本在经济上是可行的，因为它们是钻石生产的固有成本。这使得该技术成为全球最有前景的技术之一。

　　我们能加强对二氧化碳的吸收吗？

　　简而言之，可以。尾矿坑具有吸收二氧化碳的巨大潜力，因为尾矿坑的设计和目前的用途都是为了其他目的。研究人员提出了几种旨在改变尾矿化学和物理特性的方法。化学方法包括根据加工的矿石对尾矿进行分类、添加碳酸钙（CaCO3）和尾矿浇水，而物理解决方案则是对退役尾矿坑进行疤痕处理和延迟复垦。这两类方法都能提高对二氧化碳的吸收。

　　结论

　　俄罗斯研究人员的研究开启了以环保方式利用自然资源的新机遇。他们的研究结果证明，开采和加工的金伯利岩吸收二氧化碳的潜力可能是开采和钻石生产过程中温室气体排放量的数倍，从而将钻石转化为完全碳中和的产品。随着全球对绿色工业产品的关注，这些研究可能会严重改善全球对天然钻石的看法，并提高其对消费者的价值。此外，这项研究还可能促使其他铜矿和镍矿开采者研究各种超基性岩矿物的吸收潜力。

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