Journal of Marine Sciences >

2023 , Vol. 41 >Issue 1: 14 - 25

DOI: https://doi.org/10.3969-j.issn.1001-909X.2023.01.002

Carbon cycling in costal ocean and CO2 negative emissions

  • YU Lei , 1, 2 ,
  • LI Sanzhong 1, 2 ,
  • SUO Yanhui , 1, 2, * ,
  • WANG Xiujuan 1, 2
Expand
  • 1. Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE and College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
  • 2. Function Laboratory for Assessment and Prospecting Techniques of Marine Mineral Resources, Laoshan Laboratory, Qingdao 266237, China

Received date: 2022-10-18

  Revised date: 2023-01-28

  Online published: 2023-04-28

Fold

Abstract

Costal ocean receives a bunch of carbon materials and nutrients from terrestrial sources, relates a lot of carbon-involving interactions. Meanwhile, it is normal that sedimentary reservoir-cap systems with good trap conditions beneath coastal ocean, these entrapments have potentials to storage CO2. This review focuses on the coastal ocean as the research object, and introduces the carbon cycle processes in coastal ocean, their factors which could influence CO2 fluxes in the carbon cycle processes, and the potential carbon storage mechanisms of the coastal marine sedimentary basins. From the perspective of “carbon peaking and carbon neutrality”, the significance of coastal oceans for “Ocean Negative Carbon Emission (ONCE)”, its potential promotion paths, carbon storage potentials in sedimentary basins and the problems faced by coastal oceans are discussed. Overall, the costal ocean is one of the important blue carbon sink areas. In the coastal marine seawater system, improving the reaction efficiency of microbial carbon pump and carbonate carbon pump have positive significance for CO2 negative emissions; The suitable reservoir-cap systems for CO2 storage beneath coastal ocean can not only provide extra spaces, but also guarantee the safety for CO2 storage. In the future, the main research directions should be to inhibit the conversion process of carbon materials to CO2 in coastal oceans and ensure the safety of CO2 storage in sedimentary reservoirs, these could provide theoretical basis and technical guarantee for CO2 negative emissions.

Key words： carbon cycling; blue carbon sink; CO2 negative emission; coastal ocean

Cite this article

YU Lei , LI Sanzhong , SUO Yanhui , WANG Xiujuan . Carbon cycling in costal ocean and CO2 negative emissions[J]. Journal of Marine Sciences, 2023 , 41(1) : 14 -25 . DOI: 10.3969-j.issn.1001-909X.2023.01.002

0 引言

工业活动排放的CO2是导致地球“温室效应”的元凶之一[1-2]。目前,大气中CO2的浓度已经接近政府间气候变化专门委员会(IPCC)认为的关键阈值(772.4 mg/m3)。CO2负排放已经成为当今人类为实现限制气温上升幅度在1.5 ℃以内这一目标而亟待解决的重要议题[2]。因此,控制并减小向大气中排放CO2的量和排放速率,是减缓全球变暖进程的有效手段之一。在此背景下,人们试图寻求适合的方案或途径将工业活动排放的CO2收集起来,并通过一系列方式将其封存。这一过程被称为“碳捕获与封存(carbon capture and storage, CCS)”,是今后的主要发展方向之一,基本原理是将CO2以物理或化学方式稳定地存储或“固定”到沉积地质体中。其中,物理固碳方式包括构造圈闭、残余CO2圈闭和溶解圈闭,化学固碳方式主要指矿物圈闭[1]。在以上固碳方式或途径中,矿物圈闭亦被称为“碳酸盐矿物化”[3],被普遍认为是最安全而持久的固碳方式之一[3⇓⇓⇓-7]。全球大陆边缘的海岸海洋发育大量沉积盆地,其中的含油气储层、咸水层或不可开采的煤层等地质体或构造,可以作为重要的封存CO2场所[1]。这些可存储CO2的场所,其理想埋藏深度多大于800 m,在此深度下,CO2多以超临界态存在于储层中。宿主岩石或围岩往往是以具有较高孔隙渗透率的砂岩或碳酸盐岩为主,其孔隙可以作为CO2的储集空间;而黏土岩、蒸发岩等岩石往往具有低孔隙渗透率的物性,可以作为阻挡CO2进一步运移的盖层系统。大量研究表明,精心挑选和管理的地质CO2储藏库在1 000 a内的完整率可能超过99%[1]。海岸海洋发育的含油气储层可以作为注入CO2、提高石油采收率的工程场所(CO2-enhanced oil recovery, CO2-EOR),进而达到实现CCS的目的。
另外,海岸海洋中的碳循环是海洋控制全球碳循环和碳收支的主体[8⇓-10]。海岸海洋常年接受来自陆地或人类输送的大量有机/无机碳,存在活跃的生物活动,是陆地和海洋之间碳物质输送/循环的重要海域[11-12]。同时,沿海海域范围内亦发育有沉积盆地,盆地中发育的部分高孔隙渗透率和低孔隙渗透率的岩石组合,可以为CO2提供额外的封存空间,从而促进CO2负排放的发展。
海岸海洋通过生命活动、无机过程和海气相互作用可以吸收或释放大量有机碳和无机碳,是重要的蓝色碳汇海域之一[13]。海岸海洋对大气CO2浓度乃至全球碳收支的影响及调节受到了广泛的关注[12,14⇓⇓⇓⇓⇓⇓ -21]。JIAO et al[21]认为可充分利用海岸海洋中生物活动活跃这一特点,通过人为干预的方式将“微生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)”、“生物碳泵(biological carbon pump,BCP)”和“碳酸盐泵(carbonate carbon pump,CCP)”有机地结合起来,将海水中的溶解无机碳和易降解有机碳分别转化为稳定的、不易降解的碳酸盐矿物和惰性有机碳,并长久地埋藏到海底沉积物中。这是抑制大气中CO2浓度上升的可选方案之一,这一过程也被称为“海洋负碳排放(ocean negative carbon emission, ONCE)”。
本文以海岸海洋及其下发育的沉积盆地为研究对象,主要介绍海岸海洋碳物质的自然循环过程和海岸海洋沉积盆地储-盖系统封存CO2的机理及CO2封存过程中的潜在影响。本文旨在说明,无论是浅表系统还是海底岩石圈,海岸海洋均具有明显的储碳潜力,对于未来实现碳达峰、碳中和目标具有重要的经济价值和科学、社会意义。

1 海岸海洋碳循环过程

海岸带通常包括自海岸向陆地延伸小于100 km的河流下游盆地、河口、潮汐湿地和大陆架[9],其中,海岸海洋由潮汐湿地、河口和大陆架3个子生态系统组成[10]。河流系统作为连接陆地生态系统和海岸海洋的重要媒介,是向海岸海洋运输碳物质的重要载体和通道,其搬运的碳包括在机械、生物化学及人类活动作用下进入到河流的碳[22](图1a)。河流与海岸海洋之间的碳通量受气候变化和人类活动的影响显著,例如,过去百余年的人类活动造成了大量水土流失,导致大量颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)流向海洋[23];另外,过去的70余年里,经河流流入大海的无机营养物质也增加了数倍,这种现象在下游为农业开垦区和人口聚集区的河流中尤为明显[24-25];河流还可以与大气发生碳交换[26-27]。全球河流每年向海岸海洋输送的碳约为0.85~1.00 Gt,其中有机碳占40%~52%,无机碳占47%~60%[10,28],上述碳分别被潮汐湿地生态系统、河口生态系统和大陆架生态系统利用,并参与到碳循环过程中。
图1 海岸海洋中有机碳和无机碳通量的影响因素及碳循环过程

(图片修改自文献[10]。其中DOC、DIC、POC和hv分别代表溶解有机碳、溶解无机碳、颗粒有机碳和光子能量。)

Fig.1 Influencing factors of organic carbon and inorganic carbon fluxes and carbon cycle processes in coastal ocean

(Figure was modified from reference[10]. DOC, DIC, POC and hv are dissolved organic carbon, dissolved inorganic carbon, particulate organic carbon and photon energy, respectively.)

1.1 潮汐湿地

潮汐湿地,又名滨海盐沼,常发育于河口两侧,是地球上生产力最高的生态系统之一[29-30]。它可以将其生产的颗粒无机碳和有机碳沿水平方向输出到河口和近岸海洋中[9,31](图1b)。潮汐湿地中生长的植物可以直接从空气中吸收大量CO2,将其转变为有机碳;同时,该区域内发育的动植物等生命体,也向河口释放包括有机碳和无机碳在内的碳物质。前人研究表明,潮汐湿地生态系统生产并向河口输送的有机碳和无机碳的量,与同一系统中河流向河口输入的碳总量近乎相当[9,32]。全球潮汐湿地可以从大气中吸收0.55 Pg C·a-1的CO2,而湿地生态系统的生命活动可以将部分吸收的碳物质(0.35 Pg C·a-1的CO2)转化为有机碳和无机碳。该生态系统中绝大部分碳(约0.4 Pg C·a-1有机碳和无机碳)将被运送至河口水域(图2)。
图2 海岸海洋系统中潮汐湿地、河口和大陆架3个子系统中的有机碳和无机碳通量统计及其输送方向

(图片修改自文献[10]。OC为有机碳,IC为无机碳,红色数值代表海岸海洋系统与外部系统交换的碳通量,黑色数值代表海岸海洋系统内部交换的碳通量,箭头指示碳的输送方向,所有OC和IC通量均为正值。蓝色数值代表初级生产总量(GPP)和系统呼吸作用总量(RAH)之间的平衡量,即净生态系统生产力(NEP),负值表示OC转化为IC的碳通量。碳通量误差忽略不计。图中数值单位为Pg C·a-1。)

Fig.2 Statistic data of organic carbon and inorganic carbon fluxes in the three subsystems of tidal wetlands, estuarine and continental shelf in coastal marine system and their transport directions

(Figure was modified from reference[10]. OC is organic carbon, IC is inorganic carbon. Red and black values are the carbon fluxes exchanged across and within the boundaries of the coastal ocean, with positive values. Arrows indicate the directions of the carbon matters transport. Blue values represent the balance between gross primary production (GPP) and total system respiration (RAH), i.e., net ecosystem production (NEP), with negative values indicating conversion of OC to IC. Carbon flux error is negligible. The unit is Pg C·a-1.)

1.2 河口

全球河口占据海洋面积的很小部分(约0.2%)[10]。河口区域的碳物质主要来自于河流和潮汐湿地,其中每年约有0.4 Pg碳(包括0.3 Pg有机碳和0.1 Pg无机碳)由潮汐湿地生态系统提供(图2)。在河口水域,每年约有0.2 Pg的有机碳在呼吸作用下被转化为溶解无机碳(图2)。
值得注意的是,河口是向大气排放CO2的主要区域[9-10]。研究结果表明,河口水域具有相对较高的CO2分压,分压值介于0.04~1.00 kPa之间[33⇓⇓-36],较高的CO2分压致使大量的CO2向大气逸散。例如,欧洲部分河口水域排放的CO2总量可达67 Tg C·a-1,该排放量与欧洲陆地生物圈吸收的CO2总量处于相同数量级[37],相当于欧洲西部地区约5%~10%的人为排放CO2量[9]。全球范围内,平均每年约有0.25 Pg的碳在河口处被转化为CO2排放到空气中[9,36,38-39](图2)。

1.3 大陆架

大陆架作为海岸海洋的远端,是汇聚陆地、河口和海洋有机碳的动态界面,也在海洋碳循环和碳收支中起着重要作用。大陆架仅占全球海洋面积的7%~10%[40-41],但却是海洋生态系统中初级生产者的重要栖息场所。在河流和潮汐等外力作用下,每年约有0.5 Pg有机碳和0.45 Pg无机碳被输送至大陆架,为该区域生命活动繁盛奠定了基础。同时,大陆架也是开放海域中有机碳的重要来源之一,提供了近50%的有机碳[42]。

1.4 海-气相互作用

由于海水可以溶解大气CO2,因此,一部分大气CO2可以通过海-气相互作用直接被海水吸收、捕获。据统计,海岸海洋和开放海洋在海-气相互作用过程中对大气CO2浓度的变化起着不同的作用。总体来说,开放海洋以大气CO2净吸收为主,而海岸海洋在不同区域则表现为不同的CO2吸收或释放特征。全球河口和海岸海洋CO2通量的研究结果证实,尽管全球河口面积非常小,但其CO2释放通量与大陆架的CO2吸收量近乎相等(图2),并且这两个通量对于调控全球CO2通量都具有重要意义[14,16-17,36]。

2 海岸海洋CO2通量的影响因素及变化机理

2.1 海岸海洋CO2通量的影响因素

海岸海洋CO2通量受其所在纬度和季节的控制明显。前人研究表明,不同纬度的碳汇能力存在差异,高纬度海岸海洋往往具有较高的CO2吸收潜力;而在低纬度海岸海洋中,CO2的吸收和释放作用较弱,海气交换CO2的净通量变小,这常被认为是处于CO2收支平衡或CO2气源的状态[19-20](图3a,3b)。
图3 CO2年通量密度与海岸海洋所处纬度的关系(a);据文献数据汇编的CO2年通量密度与海岸海洋所处纬度的关系(b);距离世界范围内主要陆地50 km处的季节性和年平均ΔpCO2(c)

(图片修改自文献[43],其中图a数据来自文献[20]。)

Fig.3 The relationship between annual CO2 flux density and the coastal ocean latitude(a); The relationship between annual CO2 flux density and coastal ocean latitude, compiled from the literatures(b); Seasonal and annual mean ΔpCO2 at 50 km from land(c)

(Figure was modified from reference[43].The data of fig.a were from reference[20].)

另外,同一纬度不同季节海岸海洋的ΔpCO2(即海水和大气之间的pCO2差)也具有明显差异[43],相对于年平均值,同一纬度下海水ΔpCO2季节性波动非常明显(图3c)。这表明相同纬度条件下海水CO2通量具有很强的季节性差异。
人类活动可以直接或间接地影响海岸海洋甚至开放海洋的碳收支和收支平衡,例如,对土地的改造和利用、水利工程、向水中排放营养物质以及人类活动导致的湿地退化和气候变化,都会影响海岸海洋的CO2通量。
人类对土地的利用是改变河流向海岸海洋输入碳物质的主要驱动力(图1a),例如,加大了土壤中颗粒有机碳向河流迁移的可能性[44]、增加了河流中溶解无机碳的量[45],这些增加的碳最终流向海岸海洋,影响海岸海洋的碳通量。
统计研究表明,工业活动对大陆架海域的碳通量有着明显影响。工业革命前,大量陆源有机碳在大陆架海域通过呼吸作用被生物利用,该区域的生物群落总体上呈现净异养特征[9,46-47]。BAUER et al[10]认为,这一时期,大陆架生态系统净产量(net ecosystem production, NEP)约为-0.15 Pg C·a-1(图4a),大陆架海域以碳源为主,大气CO2分压约为29.2 Pa,海水CO2分压约为31.1 Pa(图4a),两者近乎相当。
图4 工业化前和现今大陆架的有机碳和无机碳通量、 pCO2水平以及生态系统净产量

(图片修改自文献[10]。图中有机碳和无机碳通量以及生态系统净产量的单位为Pg C·a-1。)

Fig.4 pCO2 levels, net ecosystem production (NEP), and organic and inorganic carbon fluxes on pre-industrial and current continental shelves

(Figure was modified from reference[10]. The unit for organic carbon, inorganic carbon fluxes and NEP in this figure is Pg C·a-1.)

而在后工业化时代,随着人类对化石燃料使用的大幅增加(图5a),大气CO2分压迅速升高至如今的39.7 Pa[10,48](图4b)。现今,海域中生物活动产生的CO2难以维持大气和海水间的平衡,大气中的CO2开始溶解于海水中[9],大陆架海域逐渐转变为CO2储库(图5b),从大气中吸收的CO2量约为0.25 Pg C·a-1,其中绝大多数被进一步输送到开放海洋中(图4b)。
图5 1750—2011年CO2人为排放量(a)及CO2在大气、陆地和海洋中的吸收量(b)

(图片修改自文献[48]。)

Fig.5 Anthropogenic CO2 emissions(a) and their absorptive amounts in the systems of atmosphere, land and ocean(b) from 1750 to 2011

(Figure was modified from refernce[48].)

2.2 CO2通量变化机理

海水从大气吸收或向大气释放CO2的过程,主要受大气CO2分压(或浓度)控制。当海水中CO2浓度大于CO2海-气溶解平衡浓度时,CO2自海水向大气中排放;而当大气CO2分压增加,海水与大气中CO2溶解平衡状态会被打破,此时大气中CO2会被海水吸收,直至达到新一轮的溶解平衡(图4b)。现如今,化石燃料的大量消耗,使大气CO2浓度快速增加(图5a),导致多数海岸海洋从过去的“碳源”区域演变成如今的“碳汇”区域(图4b),而这一过程无疑会使海水的酸化加剧,并最终影响海岸海洋的生态环境。因此,寻求一种科学方法来抑制过量CO2溶于海水,导致海水酸化这一环境问题刻不容缓。加强对其研究不仅可以解决海水酸化对海岸海洋生态系统的影响,还可以通过吸收或中和海水中溶解的过量CO2,最终达到海洋CO2负排放的目的。
如前所述,海岸海洋中碳物质主要分为有机碳和无机碳,有机碳的降解作用和无机碳的溶解作用可以分别使其转化为CO2并排放至大气中。JIAO et al[21]提出从两条研究主线出发:一方面,利用微生物作用将海岸海洋中接收的易降解有机碳转化为难降解惰性溶解有机碳(refractory dissolved organic carbon, RDOC)[49](图6);另一方面,则从无机地球化学角度出发,利用流体-岩石相互作用,使溶解在海水中的CO2(或 HCO 3 -)与岩石溶解过程中释放的二价阳离子相结合(如橄榄石溶解释放的Mg2+),进而形成自生碳酸盐矿物,最终将有机碳和无机碳封存在海底沉积物中,从而达到抑制海水酸化和海洋负碳排放的目的。
图6 缺氧环境中以微生物和流体-岩石相互作用为媒介的海洋负碳排放(ONCE)过程

(图片修改自文献[21]。ONCE包括惰性溶解有机碳生产、碱度增强和碳酸盐矿物沉淀。)

Fig.6 Ocean carbon negative emission (ONCE) processes mediated by microbial and fluid-rock interactions in anoxic environments

(Figure was modified from reference[21]. ONCE including refractory dissolved organic carbon production, alkalinity enhancement, and carbonate minerals precipitation.)

3 海岸海洋沉积盆地的储碳机理

中国海岸海洋中由北至南共计发育10个沉积盆地,分别为:渤海湾盆地、北黄海盆地、南黄海盆地、东海陆架盆地、台西盆地、台西南盆地、珠江口盆地、北部湾盆地、莺歌海盆地和琼东南盆地,面积共计769 350 km2[50]。这些盆地发育大量的天然储-盖系统,其中大量储-盖系统有石油和天然气产出,目前已探明的石油和天然气地质储量分别为1.09×109 t和3.08×107 m3[50]。这些含油气储层可以作为天然的CO2储集空间,具有明显的CO2存储潜力。

3.1 CO2圈闭方式

根据储-盖系统圈闭CO2的方式,可以将其划分为如下4种(图7): 1)当CO2注入到咸水层和油气储层中,由于浮力作用,CO2会向上运移至封堵层位并在此聚集,这一过程被称为CO2的“构造圈闭”; 2)由于储层中硅酸盐矿物表面具有润湿性,在非润湿流体(CO2)充注过程中,CO2会驱替先前占据孔隙的地层水,随着时间的推移,由于润湿相和非润湿相界面间的毛细管力,孔隙水会通过渗吸作用“回流”入孔隙,并占据部分CO2先前占据的区域,导致部分CO2可以被渗吸的地层水长久地封存在岩石孔隙中,这一过程被称为“毛细管圈闭”或“残余CO2圈闭”; 3)构造圈闭和毛细管圈闭的CO2可以溶解于孔隙水中,这一过程即为“溶解圈闭”; 4)地层水溶解CO2后pH值降低,呈酸性的地层水与宿主岩石发生流体-岩石相互作用,并促使原生矿物发生溶蚀、溶解作用,最终将CO2以碳酸盐矿物形式封存到岩石中,这一过程也被称为“矿物圈闭”。在以上4种捕获CO2的过程中,随着时间的推移,残余CO2捕集的物理过程、溶解捕获和矿物捕获的地球化学过程逐渐增加,CO2封存的安全性也逐渐增加。
图7 超临界CO2注入沉积盆地后不同阶段CO2的主要封存机制及其存储安全性评价

(图片修改自文献[1]。)

Fig.7 Evaluation of CO2storage mechanism and storage safety at different stages after supercritical CO2 injection into sedimentary basins

(Figure was modified from reference[1].)

3.2 CO2的潜在泄漏途径

值得说明的是,在沉积储层中,CO2-H2O-岩石相互作用过程是一个缓慢的化学反应过程。在碎屑储层中,CO2转化为碳酸盐矿物需要数千年至数万年[1,51⇓ -53],在CO2转化为更稳定的碳酸盐矿物前,CO2还是以物理存储方式为主。因此,将CO2安全、稳定地储存在目的储层中是CCS工程实施的首要目标,其中,盖层完整性对于防止CO2泄漏尤为重要。CO2通过盖层泄漏的途径可分为4种,分别为:断裂和裂缝泄漏、CO2扩散、井口泄漏和毛细管泄漏。上述4种泄漏的过程并非一成不变,例如在CO2突破泥岩盖层发生泄漏的过程中,在CO2-H2O-岩石相互作用下,盖层中矿物的溶解或沉淀作用可以影响岩石的物理性质,从而促进或抑制CO2泄漏。因此,多角度且全面地对盖层完整性进行研究对于安全、稳定地存储CO2十分必要。

4 海岸海洋沉积盆地的CO2地质封存

海岸海洋CO2地质封存可以为CCS工程提供额外的CO2封存空间和封存能力。据统计,在全球范围内,海岸海洋中发育的沉积盆地可提供约6.2×1012 t CO2的存储空间,与陆地碳封存潜力相当[54]。而且,就目前的工程实施效果来看,相比陆地CCS工程,海上CCS工程的实施更加容易且经济[55]。因此,海岸海洋的沉积盆地已经成为未来实施CCS工程的潜在有利区域。
以往CCS工程实施的经验和数据表明,在海岸海洋沉积盆地中开展CCS工程具有以下4个方面的优势。
首先,风险低且存储容量巨大[56]。具有CO2存储工程实施前景的近海盆地在全球范围内广泛发育,有着巨大的储碳潜力。与陆地CCS工程选址标准相似,在海岸海洋沉积盆地中实施CCS工程的理想场所亦以具有高渗透率的储集层(通常以砂岩为主)和具有低渗透率的封盖层(厚层泥岩)为主。在大多数海洋环境中,海底以下约1 000 m的沉积物遭受到的压实作用相对较弱,多以未固结或半固结的黏土层为主,这意味着断层和裂缝难以在这些层位中广泛发育、延伸,缺乏CO2持续逸出的高渗透途径[55],减小了对近海环境中生物栖息地和受保护地下水的威胁,减轻了对CO2泄漏的监测压力。
其次,海上部署CCS工程具有基础设施的便利性和源-汇的邻近性,大多数大型工业排放区都位于沿海地区,可有效匹配排放源和汇。以中国为例,绝大部分CO2排放区域均集中在东部及南部沿海地区,部分沿海城市或城市集群的碳排放量可达225×106 t/a[57]。由于CCS技术对于实现碳达峰和碳中和目标以及未来能源的转型都发挥着至关重要的作用,CCS的经济效益也变得越来越重要。因此,在海岸海洋沉积盆地中寻找合适的碳存储空间,降低管道建设距离和运输距离,不仅可以降低CO2在运输过程中的泄漏风险,还可以大幅度降低封存CO2的运输成本。
第三,依托CO2-EOR等工程的实施达到CCS的目的。现阶段,石油行业一直是最大的外部来源CO2的消费者[57],其中CO2-EOR工程是主要的CO2消耗途径。CO2-EOR是一项具有较高成熟度的技术,早在20世纪70年代起便已开始商业应用[58]。据统计,在美国,每生产1 t石油约有0.3~0.6 t的CO2通过EOR工程注入到地下[57]。全球范围内,大约有1 900亿~4 300亿桶石油是通过CO2-EOR技术开采的,这暗示了需要注入600亿~3 900亿t CO2来实现这一石油产量。在上述过程中,部分CO2将被永久地封存在地下储层中,这部分CO2封存的成本可以被开采的石油所产生的利润抵消。以每生产一桶石油约需向地下注入0.5 t CO2计算,对应的封存成本为7.5~15美元/桶 [57]。然而,就目前而言,广泛部署该技术所面临的主要障碍,仍集中于较高的资本支出、缺乏适宜的地质条件、CO2运输设施建设不足和油田附近低成本且稳定的CO2来源缺乏等方面[57]。前文表明,海岸海洋沉积盆地具有CO2源-汇的邻近性等先天优势,因此在海岸海洋沉积盆地部分油田中部署CO2-EOR工程,可能会为缓解上述问题提供新的方向。
最后,海上碳封存可促进技术升级和进步。海上CCS需要现有技术的进一步专业化,从而需要开发并广泛应用新的工业技术,包括大规模运输CO2的技术和更先进的长期监测CO2储存的技术。在降低CO2封存成本的同时增加CO2封存量仍然是目前CCS技术的主要发展方向。以该发展方向作为驱动,可以促进一系列相关的具有低成本的新技术的应用和现有技术向低成本方向发展、更新。广泛部署CCS工程可以促进现有运输工具的升级、迭代。例如,高压管道运输CO2与天然气运输相似,因此,在一定程度上,CCS工程可以重复利用现有的天然气运输管道对CO2进行运输。然而,相比于石油天然气,CO2往往需要在高压条件下进行运输,这对现有管道向更优良性能方向发展具有促进作用。同时,海上船舶运输CO2与运输液化石油气具有诸多相似性,因此,该运输方式也被作为经济且可大规模运输CO2的潜在方式,具有广阔的创新和开发空间[57]。另外,一些新技术和新方法,包括海底监测、机器人、无人机和自主系统、新型传感器、数字创新以及虚拟和增强现实等技术可以应用到CCS领域,以大幅度降低CCS的监测成本并提高封存CO2的安全性[59]。总的来说,在海洋中实施CCS工程,可以促使一些经济且高效的新技术的发展和进步。

5 结论与展望

海岸海洋既是碳循环的重要区域,具有巨大的储碳潜力,又是实施ONCE和CCS的潜在有利场所,对于控制大气CO2浓度增加,进而抑制全球变暖进程,具有重要的科学、社会、经济、环境价值。得益于人类对沿海海域含油气盆地的开发活动,大陆架沉积盆地内部分地质构造可以作为良好的CO2贮存空间,为人类“双碳”事业提供积极作用。因此,积极推进ONCE和海洋CCS的相关研究,对于缓解地球“温室效应”具有重要现实意义。
然而,开展和推进上述研究仍面临一定的问题与挑战。例如,提高海岸海洋系统中ONCE的效率、保证近海盆地中CCS安全、稳定捕获CO2是人类当今面临的主要科学难题和工程问题。其中,海岸海洋碳循环主要分为两种作用过程:有机碳循环和无机碳循环。因此,为提高ONCE效率,未来研究的重点应从抑制有机碳向无机碳转化过程入手,揭示可降解有机碳转化为难降解有机碳的微生物作用机制,从而达到CO2负排放的目的。在针对海岸海洋沉积盆地CCS的研究中,今后的研究重点应从沉积盆地CCS工程的安全性及稳定性等方面着手,例如,针对储层中CO2的储存潜力、盖层完整性、宿主岩石种类及矿物捕获CO2的潜力等,防止CO2发生泄漏而再次返回地表。此外,加强对深时地球系统中的海岸海洋碳循环的研究,对揭示显生宙以来海岸海洋碳循环各环节的碳通量和转化效率也尤为重要,有助于深入认识生物大灭绝事件的具体细节,认识海岸海洋碳循环的长期效应,特别是长期海平面变化对海岸海洋碳循环的重大冲击效应。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
IPCC. IPCC special report on carbon dioxide capture and storage[R]. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2005: 442.

[2]
ALLAN R P, ACHUTARAO K M. Climate change 2021: the physical science basis: Working Group I contribution to the sixth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Geneva, Switzerland: WMO, IPCC Secretariat, 2021.

[3]
OELKERS E H, GISLASON S R, MATTER J. Mineral carbonation of CO2[J]. Elements, 2008, 4(5): 333-337.

DOI

[4]
LACKNER K S, WENDT C H, BUTT D P, et al. Carbon dioxide disposal in carbonate minerals[J]. Energy, 1995, 20(11): 1153-1170.

DOI

[5]
JOHNSON J W, NITAO J J, STEEFEL C I, et al. Reactive transport modeling of geologic CO2 sequestration in saline aquifers: The influence of intra-aquifer shales and the relative effectiveness of structural, solubility, and mineral trapping during prograde and retrograde sequestration[R]. Lawrence Livermore National Lab, CA (US), 2001.

[6]
MATTER J M, STUTE M, SNÆBJÖRNSDOTTIR S Ó, et al. Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions[J]. Science, 2016, 352(6291): 1312-1314.

DOI PMID

[7]
POWER I M, HARRISON A L, DIPPLE G M, et al. Carbon mineralization: From natural analogues to engineered systems[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2013, 77(1): 305-360.

DOI

[8]
COLE J J, PRAIRIE Y T, CARACO N F, et al. Plumbing the global carbon cycle: Integrating inland waters into the terrestrial carbon budget[J]. Ecosystems, 2007, 10(1): 172-185.

DOI

[9]
CAI W J. Estuarine and coastal ocean carbon paradox: CO2 sinks or sites of terrestrial carbon incineration?[J]. Annual Review of Marine Science, 2011, 3: 123-145.

DOI

[10]
BAUER J E, CAI W J, RAYMOND P A, et al. The changing carbon cycle of the coastal ocean[J]. Nature, 2013, 504(7478): 61-70.

DOI

[11]
GATTUSO J P, FRANKIGNOULLE M, WOLLAST R. Carbon and carbonate metabolism in coastal aquatic ecosys-tems[J]. Annual Review of Ecology and Systematics, 1998, 29: 405-434.

DOI

[12]
THOMAS H, BOZEC Y, ELKALAY K, et al. Enhanced open ocean storage of CO2 from shelf sea pumping[J]. Science, 2004, 304(5673): 1005-1008.

DOI

[13]
李三忠, 刘丽军, 索艳慧, 等. 碳构造:一个地球系统科学新范式[J]. 科学通报, 2023, 68(4):309-338.

LI S Z, LIU L J, SUO Y H, et al. Carbon Tectonics: A new paradigm for earth system science[J]. Chinese Science Bulletin, 2023, 68(4): 309-338.

[14]
BORGES A V. Do we have enough pieces of the jigsaw to integrate CO2 fluxes in the coastal ocean?[J]. Estuaries, 2005, 28(1): 3-27.

DOI

[15]
CAI W J, DAI M H. Comment on “Enhanced open ocean storage of CO2 from shelf sea pumping”[J]. Science, 2004, 306(5701): 1477.

[16]
CAI W J, DAI M H, WANG Y C. Air-sea exchange of carbon dioxide in ocean margins: Aprovince-based synthesis[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(12): L12603.

DOI

[17]
CHEN C T A, BORGES A V. Reconciling opposing views on carbon cycling in the coastal ocean: Continental shelves as sinks and near-shore ecosystems as sources of atmospheric CO2[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2009, 56(8-10): 578-590.

DOI

[18]
DAI M H, CAO Z M, GUO X H, et al. Why are some marginal seas sources of atmospheric CO2?[J]. Geophysical Research Letters, 2013, 40(10): 2154-2158.

DOI

[19]
LARUELLE G G, LAUERWALD R, PFEIL B, et al. Regionalized global budget of the CO2 exchange at the air-water interface in continental shelf seas[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2014, 28(11): 1199-1214.

DOI

[20]
ROOBAERT A, LARUELLE G G, LANDSCHÜTZER P, et al. The spatiotemporal dynamics of the sources and sinks of CO2 in the global coastal ocean[J]. Global Biogeoche-mical Cycles, 2019, 33(12): 1693-1714.

[21]
JIAO N Z, LIU J H, JIAO F L, et al. Microbes mediated comprehensive carbon sequestration for negative emissions in the ocean[J]. National Science Review, 2020, 7(12): 1858-1860.

DOI PMID

[22]
姚冠荣, 高全洲. 河流碳输移与陆地侵蚀-沉积过程关系的研究进展[J]. 水科学进展, 2007, 18(1):133-139.

YAO G R, GAO Q Z. Correlation between riverine carbon transport and terrestrial erosion-deposition processes[J]. Advances in Water Science, 2007, 18(1): 133-139.

[23]
SCHLESINGER W H. Biogeochemistry: An analysis of global change[M]. 2nd ed. San Diego, Calif: Academic Press, 1997.

[24]
TURNER R E, RABALAIS N N, SWENSON E M, et al. Summer hypoxia in the northern Gulf of Mexico and its prediction from 1978 to 1995[J]. Marine Environmental Research, 2005, 59(1): 65-77.

PMID

[25]
LOHRENZ S E, REDALJE D G, CAI W J, et al. A retrospective analysis of nutrients and phytoplankton productivity in the Mississippi River plume[J]. Continental Shelf Research, 2008, 28(12): 1466-1475.

DOI

[26]
COLE J J, CARACO N F. Carbon in catchments: Connecting terrestrial carbon losses with aquatic metabolism[J]. Marine and Freshwater Research, 2001, 52(1): 101-110.

DOI

[27]
RICHEY J E, MELACK J M, AUFDENKAMPE A K, et al. Outgassing from Amazonian Rivers and wetlands as a large tropical source of atmospheric CO2[J]. Nature, 2002, 416(6881): 617-620.

DOI

[28]
LUDWIG W, PROBST J, KEMPE S. Predicting the oceanic input of organic carbon by continental erosion[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1996, 10(1): 23-41.

DOI

[29]
WOODWELL G M, RICH P H, HALL C A S. Carbon and the estuaries[M] //WOODWEELLG, PECANE V. Carbon and the Biosphere. Springfield, Virginia: United States Atomic Energy Commission, 1973: 221-240.

[30]
HOPKINSON C S Jr. Patterns of organic carbon exchange between coastal ecosystems the mass balance approach in salt marsh ecosystems[M] //JANSSONB O. Coastal-offshoreecosystem interactions, Volume 22. Washington, D. C.: American Geophysical Union, 1988: 122-154.

[31]
DITTMAR T, HERTKORN N, KATTNER G, et al. Mangroves, a major source of dissolved organic carbon to the oceans[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2006, 20(1): GB1012.

[32]
REGNIER P, FRIEDLINGSTEIN P, CIAIS P, et al. Anthropogenic perturbation of the carbon fluxes from land to ocean[J]. Nature Geoscience, 2013, 6(8): 597-607.

DOI

[33]
RAYMOND P A, CARACO N F, COLE J J. Carbon dioxide concentration and atmospheric flux in the Hudson River[J]. Estuaries, 1997, 20(2): 381-390.

DOI

[34]
CAI W J, WANG Y C. The chemistry, fluxes, and sources of carbon dioxide in the estuarine waters of the Satilla and Altamaha Rivers, Georgia[J]. Limnology and Oceanography, 1998, 43(4): 657-668.

DOI

[35]
FRANKIGNOULLE M, ABRIL G, BORGES A, et al. Carbon dioxide emission from Europeanestuaries[J]. Science, 1998, 282(5388): 434-436.

DOI

[36]
BORGES A V, DELILLE B, FRANKIGNOULLE M. Budgeting sinks and sources of CO2 in the coastal ocean: Diversity of ecosystems counts[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(14): L14601.

[37]
JANSSENS I A, FREIBAUER A, CIAIS P, et al. Europe’s terrestrial biosphere absorbs 7 to 12% of European anthropogenic CO2 emissions[J]. Science, 2003, 300(5625): 1538-1542.

DOI

[38]
WOLANSKI E, MCLUSKY D. Treatise on estuarine and coastal science[M]. London: Academic Press, 2011.

[39]
LARUELLE G G, DÜRR H H, SLOMP C P, et al. Evaluation of sinks and sources of CO2 in the global coastal ocean using a spatially-explicit typology of estuaries and continental shelves[J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37(15): L15607.

[40]
LARUELLE G G, DÜRR H H, LAUERWALD R, et al. Global multi-scale segmentation of continental and coastal waters from the watersheds to the continental margins[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2013, 17(5): 2029-2051.

DOI

[41]
MACKENZIE F, ANDERSSON A, LERMAN A, et al. Boundary exchanges in the global coastal margin: Implications for the organic and inorganic carbon cycles[M] //ROBINSON A R, BRINK K H. The sea: The global coastal ocean: Multiscale interdisciplinary processes. Cam-bridge, MA: Harvard University Press, 2005: 193-225.

[42]
JAHNKE R A. Global synthesis[M] //LIUK K, ATKINSONL, QUIÑONESR, et al.Carbon and nutrient fluxes in continental margins. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010: 597-615.

[43]
DAI M H, SU J Z, ZHAO Y Y, et al. Carbon fluxes in the coastal ocean: Synthesis, boundary processes, and future trends[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2022, 50: 593-626.

DOI

[44]
STALLARD R F. Terrestrial sedimentation and the carbon cycle: Coupling weathering and erosion to carbon burial[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1998, 12(2): 231-257.

DOI

[45]
RAYMOND P A, OH N H, TURNER R E, et al. Anthropogenically enhanced fluxes of water and carbon from the Mississippi River[J]. Nature, 2008, 451(7177): 449-452.

DOI

[46]
MACKENZIE F T, LERMAN A, ANDERSSON A J. Past and present of sediment and carbon biogeochemical cycling models[J]. Biogeosciences, 2004, 1(1): 11-32.

DOI

[47]
SMITH S V, HOLLIBAUGH J T. Coastal metabolism and the oceanic organic carbon balance[J]. Reviews of Geophysics, 1993, 31(1): 75-89.

DOI

[48]
IPCC. The physical science basis[R]. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: International Panel on Climate Change, 2013.

[49]
JIAO N Z, GUO Z T, LEGENDRE L, et al. Editorial for the special issue on marine carbon sequestration and climate change[J]. National Science Review, 2018, 5(4): 456-457.

DOI

[50]
刘光鼎, 陈洁. 中国海域残留盆地油气勘探潜力分析[J]. 地球物理学进展, 2005, 20(4):881-888.

LIU G D, CHEN J. Potential analysis of petroleum explor-tation in residual basins of the China sea[J]. Progress in Geophysics, 2005, 20(4): 881-888.

[51]
XU T F, APPS J A, PRUESS K. Numerical simulation of CO2 disposal by mineral trapping in deep aquifers[J]. Applied Geochemistry, 2004, 19(6): 917-936.

DOI

[52]
XU T F, APPS J A, PRUESS K. Mineral sequestration of carbon dioxide in a sandstone-shale system[J]. Chemical Geology, 2005, 217(3/4): 295-318.

DOI

[53]
XU T F, APPS J A, PRUESS K, et al. Numerical modeling of injection and mineral trapping of CO2 with H2S and SO2 in a sandstone formation[J]. Chemical Geology, 2007, 242(3/4): 319-346.

DOI

[54]
KEARNS J, TELETZKE G, PALMER J, et al. Developing a consistent database for regional geologic CO2 storage capacity worldwide[J]. Energy Procedia, 2017, 114: 4697-4709.

DOI

[55]
SCHRAG D P. Storage of carbon dioxide in offshore sediments[J]. Science, 2009, 325(5948): 1658-1659.

DOI PMID

[56]
BACHU S, BONIJOLY D, BRADSHAW J, et al. CO2 storage capacity estimation: Methodology and gaps[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2007, 1(4): 430-443.

DOI

[57]
IEA. Energy technology perspectives 2020: Special report on carbon capture, utilisation and storage[R]. IEA, 2020.

[58]
INSTITUTE G C. The global status of CCS: 2015, Summary report[M]. Melbourne, Australia: Global CCS Institute, 2015.

[59]
ORCHARD K, SIMON R, DURUSUT E, et al. Value of emerging and enabling technologies in reducing costs, risks and timescales for CCS[C]//Proceedings of the 15th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, 2021.

Options
Outlines

/

〈 〉