海洋通过海—气界面交换的自然过程每年可净吸收约2GtC,接近全球年碳排放总量的1/3。若缺少此过程,则大气中CO2浓度将达450滋g/g,比现值高出55滋g/g。尽管如此,该过程仍不能满足全球碳减排之需。在此背景下,Marchetti率先提出海洋碳封存的新理念。此后,人们沿着其思路评估了海洋碳封存的可行性及其潜力,并探索了海洋碳封存的具体实现途径;其中将CO2捕获、压缩后直接注入海洋,或将其封存于海底沉积物是2种最重要的海洋碳封存途径。

目前海洋中约有40000GtC,是大气圈中碳总量的5倍,其碳封存潜力约为大气圈的40倍。因海—气界面的CO2交换过程缓慢且仅限于表层/次表层海水,故人们开始探寻用人工方法加快海洋碳封存过程及提升海洋吸收CO2的能力。海洋水柱能封存碳得益于以下3种机制。首先,海水中的碳主要以HCO-3形式存在,并与H2CO3、溶解态CO2和CO2-3构成相对稳定的庞大缓冲体系。如长期沉积于海底的碳酸盐可与其四周酸化的海水发生中和反应[18]。其次,随着深度的增加,CO2会变得比海水致密,从而达到重力稳定状态,即在海洋中存在负浮力带(NegativeBuoyancyZone,NBZ)。再次,若海水深度足够大且富含CO2,则笼形的水分子能将CO2吸附于其中并形成CO2水合物(CO2·5.75H2O),即存在水合物形成带(HydrateFormationZone,HFZ),从而有利于海洋碳封存。因水合物的生成过程为放热反应,故从热力学角度分析,该反应可自发进行。

除海洋水柱可封存CO2外,海底沉积物也是理想的碳封存场所。海底沉积物储层不仅碳封存潜力巨大,而且与陆地储层相比具有更优的物理、化学和水文地质等条件。故海底沉积物储层具有更诱人的碳封存前景。

处于深海环境的CO2会出现密度大于孔隙水的情形,即在NBZ达到重力稳定状态。虽然CO2因海底岩层的地热升温会使其密度变小而出现上移,但最多上移至NBZ的底部。CO2能从盖层的微裂隙中逸出,但此时的孔隙水可起到类似盖层的阻隔作用,且其阻隔效果优于盖层。这就规避了在陆地碳封存时存在的CO2因浮力效应而逸出地表的风险[24~26,35~37]。此外,在低温高压的深海环境,CO2极易在HFZ形成水合物。因CO2水合物在海水中的溶解速率小于CO2,故水合物的形成能减轻CO2对海洋生物的影响。水合物充填于沉积物孔隙中会降低其渗透率和孔隙度,甚至会堵塞孔隙,起到抑制CO2泄漏的作用。