Carbonatazione e serpentinizzazione del diopsidite nei Monti Altun, Cina nordoccidentale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21361 (2022) Citare questo articolo

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La carbonatazione minerale delle rocce mafico-ultramafiche è stata evidenziata come un modo promettente per la cattura e lo stoccaggio permanente del carbonio. La carbonatizzazione comporta il rilascio di Ca, Mg e Fe dai minerali di silicato mediante dissoluzione e reazione nella fase acquosa per formare minerali di carbonato stabili. Il diopside è uno dei minerali mafici più abbondanti nella litosfera e contribuisce con una parte di Mg e Ca all'alterazione superficiale. Qui presentiamo i processi dettagliati della serpentinizzazione accoppiata alla carbonatazione del diopsidite dal deposito Yushishan Nb-Ta nel monte Altun, nel nord-ovest della Cina. La diopsidite è il prodotto metamorfico progrado del marmo dolomitico siliceo mediante processo di decarbonatazione completa. La serpentinizzazione retrograda e la carbonatazione del diopsidito portano all'aggiunta di CO2, H2O, elementi leggeri delle terre rare ed elementi fluidomobili ma alla perdita di SiO2. I diopsidi sono sostituiti da calcite e crisotilo mediante alterazione minerale per formare strutture pseudomorfiche. I processi di dissoluzione-precipitazione influenzano in modo significativo la serpentinizzazione e la carbonatazione del diopside. La carbonatazione delle rocce ricche di diopside può essere adatta allo stoccaggio permanente di CO2.

La carbonatazione minerale è stata considerata un processo sicuro e promettente che consente la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) essenzialmente permanenti1,2,3,4,5,6. Cattura la CO2 per reagire con i minerali silicati e immobilizzare la CO2 in prodotti carbonatici stabili come calcite (CaCO3), dolomite (Ca0.5Mg0.5CO3), magnesite (MgCO3) e siderite (FeCO3) su scale temporali umane1,2,3,4, 5,6,7,8. In natura, grandi volumi di rocce mafiche-ultramafiche sono stati studiati per registrare processi di carbonatazione, in particolare rocce basaltiche, che sono ricche di calcio, magnesio, ossidi di ferro e altamente porose9,10,11,12 che mostrano un potenziale molto promettente per lo stoccaggio del carbonio. Né la carbonatazione né la serpentinizzazione del diopside ricco di diopside sono mai state descritte in dettaglio per campioni naturali, sebbene alcuni studi sperimentali abbiano esplorato i processi di carbonatazione del diopside13,14.

Il pirosseno è uno dei principali minerali che formano le rocce nella litosfera del mantello terrestre (ad esempio peridotite e pirossenite) e nella crosta (ad esempio gabbro, basalto e diopsidite). I primi studi si concentravano sul meccanismo di dissoluzione del pirosseno e suggerivano la dissoluzione selettiva15, la reazione chimica superficiale16 e la migrazione dell'acqua sulla superficie del pirosseno17. Inoltre, molti fattori, come gli stati iniziali dei minerali18,19, il pH della soluzione20,21,22, la temperatura21,23 e la composizione della soluzione22,24, possono influenzare i processi di dissoluzione del pirosseno. Negli ultimi anni si è gradualmente realizzato che il pirosseno (soprattutto il diopside) è un minerale promettente per il sequestro dell'anidride carbonica durante il processo di carbonatazione13,25. Studi sperimentali hanno scoperto che il diopside può essere alterato in talco e serpentino dal rilascio di Ca durante la serpentinizzazione del diopside26,27. Inoltre, la serpentinizzazione e la cloritizzazione si verificano nella clinopirossenite naturale, che può fornire la principale fonte di Ca per la rodingitizzazione delle rocce mafiche28,29. Tuttavia, sono stati condotti pochi studi sulla carbonatazione del pirosseno e sull'accoppiamento del processo con la serpentinizzazione.

È stato suggerito che la peridotite nei fondali marini e nelle zone di subduzione sia carbonatata e serpentinizzata30. Casi di studio sull'ofiolite dell'Oman mostrano che le peridotiti reagiscono con fluidi contenenti CO2 per formare grandi quantità di serpentino e carbonato31,32,33 e con un tasso stimato di carbonatazione naturale di circa 104-105 tonnellate di CO2/anno31 e 106-107 kg CO2/anno33. L'olivina residua è circondata da antigorite e magnesite e la serpentinizzazione e la carbonatazione possono verificarsi simultaneamente durante l'alterazione dell'olivina34. Durante la carbonatazione, la peridotite può essere convertita in oficarbonato (serpentinite ricca di carbonato), pietra ollare (talco + magnesite + serpentino) e listvenite (quarzo + magnesite e/o dolomite + talco)32,35,36,37,38. Allo stesso modo, la peridotite esposta può reagire con l'acqua di mare (negli antichi sistemi idrotermali ospitati dalla peridotite) per formare serpentina e calcite39. È interessante notare che studi recenti suggeriscono anche che la serpentinizzazione e la carbonatazione dei minerali sono strettamente correlate alla sintesi organica sui pianeti terrestri40.