海洋通過海—氣界面交換的自然過程每年可凈吸收約2GtC,接近全球年碳排放總量的1/3。若缺少此過程,則大氣中CO2濃度將達450滋g/g,比現值高出55滋g/g。盡管如此,該過程仍不能滿足全球碳減排之需。在此背景下,Marchetti率先提出海洋碳封存的新理念。此后,人們沿著其思路評估了海洋碳封存的可行性及其潛力,并探索了海洋碳封存的具體實現途徑;其中將CO2捕獲、壓縮后直接注入海洋,或將其封存于海底沉積物是2種最重要的海洋碳封存途徑。

目前海洋中約有40000GtC,是大氣圈中碳總量的5倍,其碳封存潛力約為大氣圈的40倍。因海—氣界面的CO2交換過程緩慢且僅限于表層/次表層海水,故人們開始探尋用人工方法加快海洋碳封存過程及提升海洋吸收CO2的能力。海洋水柱能封存碳得益于以下3種機制。首先,海水中的碳主要以HCO-3形式存在,并與H2CO3、溶解態CO2和CO2-3構成相對穩定的龐大緩沖體系。如長期沉積于海底的碳酸鹽可與其四周酸化的海水發生中和反應[18]。其次,隨著深度的增加,CO2會變得比海水致密,從而達到重力穩定狀態,即在海洋中存在負浮力帶(NegativeBuoyancyZone,NBZ)。再次,若海水深度足夠大且富含CO2,則籠形的水分子能將CO2吸附于其中并形成CO2水合物(CO2·5.75H2O),即存在水合物形成帶(HydrateFormationZone,HFZ),從而有利于海洋碳封存。因水合物的生成過程為放熱反應,故從熱力學角度分析,該反應可自發進行。

除海洋水柱可封存CO2外,海底沉積物也是理想的碳封存場所。海底沉積物儲層不僅碳封存潛力巨大,而且與陸地儲層相比具有更優的物理、化學和水文地質等條件。故海底沉積物儲層具有更誘人的碳封存前景。

處于深海環境的CO2會出現密度大于孔隙水的情形,即在NBZ達到重力穩定狀態。雖然CO2因海底巖層的地熱升溫會使其密度變小而出現上移,但最多上移至NBZ的底部。CO2能從蓋層的微裂隙中逸出,但此時的孔隙水可起到類似蓋層的阻隔作用,且其阻隔效果優于蓋層。這就規避了在陸地碳封存時存在的CO2因浮力效應而逸出地表的風險[24~26,35~37]。此外,在低溫高壓的深海環境,CO2極易在HFZ形成水合物。因CO2水合物在海水中的溶解速率小于CO2,故水合物的形成能減輕CO2對海洋生物的影響。水合物充填于沉積物孔隙中會降低其滲透率和孔隙度,甚至會堵塞孔隙,起到抑制CO2泄漏的作用。