強化された風化

強化風化（炭素クレジット制度で提案される場合は海洋アルカリ度強化とも呼ばれる）は、玄武岩などの細かく粉砕した珪酸塩岩を地表に散布することで自然の風化を加速させ、岩石、水、空気間の化学反応を促進することを目的としたプロセスである。また、炭酸の形成によって大気中の二酸化炭素（ CO2 _{）を除去し、固体}炭酸塩鉱物または海洋アルカリ度に永久的に貯蔵する。^{[ 1 ]}後者は海洋酸性化も遅らせる。

強化風化は、陸上または海洋ベースの技術を用いた二酸化炭素除去のための化学的手法です。陸上強化風化技術の一例として、ケイ酸塩の原位置炭酸化があります。例えば、超苦鉄質岩は、数百年から数千年分の_CO2排出量を貯蔵する可能性があります。^{[ 2 ] [ 3 ]}海洋ベースの技術には、海洋酸性化とCO2隔離に対処するために_{、カンラン石、石灰岩、ケイ酸塩、または}水酸化カルシウムを粉砕、分散、溶解するなど、アルカリ度を高めることが含まれます。^{[ 4 ]}

既存の鉱山残渣^{[ 5 ]}やアルカリ性工業用ケイ酸塩鉱物（製鉄スラグ、建設・解体廃棄物、バイオマス焼却灰など）が最初は使用されるかもしれないが^{[ 6 ]} 、気候変動を抑制するためには最終的には玄武岩の採掘量を増やす必要があるかもしれない^{[ 7 ]}。

強化風化は、陸上および海洋ベースの炭素隔離の両方に提案されている。海洋方法は、環境的にも経済的にも実現可能かどうかを確認するために、非営利団体プロジェクト・ベスタによってテストされている。^{[ 8 ] [ 9 ]}

2020年7月、科学者グループは、岩石風化促進の地質工学技術、すなわち細かく砕いた玄武岩を畑に撒く技術が、各国による二酸化炭素除去に利用できる可能性があり、コスト、機会、工学的課題を特定したと評価した。^{[ 10 ] [ 11 ]}

風化とは、水、氷、酸、塩、植物、動物、温度変化の作用によって岩石や鉱物が溶解する自然過程です。 ^{[ 12 ]}風化には機械的（岩石を砕くこと – 物理的風化または分解とも呼ばれる）と化学的（岩石中の化学化合物を変化させること）があります。^{[ 12 ]}生物風化は、植物、菌類、またはその他の生物による風化（機械的または化学的）の一形態です。^{[ 12 ]}

化学的風化は、主に関与する鉱物の性質に応じて、さまざまなメカニズムで発生する可能性があります。これには、溶解、水和、加水分解、および酸化風化が含まれます。^{[ 13 ]}炭酸化風化は、溶解風化の特殊なタイプです。^{[ 13 ]}

炭酸塩鉱物とケイ酸塩鉱物は、炭酸化風化の影響を受ける鉱物の例です。ケイ酸塩鉱物または炭酸塩鉱物が雨水または地下水にさらされると、炭酸化風化によりゆっくりと溶解します。つまり、大気中に存在する水（H ₂ O）と二酸化炭素（CO ₂ ）が反応して炭酸（H ₂ CO _{3 ）を形成します。} ^{[ 12 ] [ 14 ]}

H₂O + _CO₂ → _{H₂CO₃​​}​

この炭酸は鉱物を攻撃し、未反応の水と混ざり合って炭酸イオンを形成します。この2つの化学反応（炭酸化と溶解）の結果、鉱物、水、二酸化炭素が結合し、鉱物の化学組成が変化し、大気からCO₂が除去されます_。これらの反応は可逆的であるため、炭酸塩が土壌などの酸由来のH⁺イオンに遭遇すると、水が生成され、CO₂が大気中に放出されます_。酸性土壌に石灰石（炭酸カルシウム）を施用すると、H⁺イオンは中和されますが、石灰石から _{CO₂が放出されます。}

特に、フォルステライト（ケイ酸塩鉱物）は次の反応によって溶解する。

Mg ₂ SiO ₄ (s) + 4H ₂ CO ₃ (aq) → 2Mg ²⁺ (aq) + 4HCO ₃ ⁻ (aq) + H ₄ SiO ₄ (aq)

ここで「(s)」は固体状態の物質を示し、「(aq)」は水溶液中の物質を示します。

方解石（炭酸塩鉱物）は、代わりに以下の反応によって溶解する。

CaCO ₃ (s) + H ₂ CO ₃ (aq) → Ca ²⁺ (aq) + 2HCO ₃ ⁻ (aq)

溶解した重炭酸塩の一部は、土壌断面を通って地下水に到達する過程で土壌酸と反応する可能性があるが、溶解した重炭酸イオン（HCO ₃ ⁻）を含む水は最終的に海洋に到達し、^{[ 14 ]}海洋では、重炭酸イオンが生物鉱化されて貝殻や骨格の炭酸塩鉱物となる。

Ca ²⁺ + 2HCO ₃ ⁻ → CaCO ₃ + CO ₂ + H ₂ O

炭酸塩鉱物は最終的に海面から海底へと沈んでいく。^{[ 14 ]}炭酸塩の大部分は沈んでいくにつれて深海で再溶解する。

地質学的時間スケールでは、これらのプロセスが地球の気候を安定させると考えられている。^{[ 15 ]}大気中の二酸化炭素（CO2）のガスと炭酸塩に変換される二酸化炭素の量の比率_は化学平衡によって制御されている。この平衡状態が変化する場合、理論的には（その間に他の変化が起こらない場合）新しい平衡状態を確立するのに数千年かかる。^{[ 14 ]}

ケイ酸塩風化の場合、溶解と沈殿の理論的な正味効果は、鉱物から風化によって除去されるCa²⁺またはMg²⁺ 1モルあたりCO₂が1モル隔離されるというものです。溶解した陽イオンの一部が溶液中の既存のアルカリ度と反応してCO₃²⁻イオンを形成するため^、自然^系で_は^その_比率は厳密には1:1ではなく、温度とCO₂分圧の関数となります_。炭酸塩風化反応と炭酸塩沈殿反応による正味のCO₂_隔離量はゼロです。

風化作用と生物による炭酸塩沈殿は、短期間（1000年未満）では緩やかな関連性しか持たないと考えられている。したがって、炭酸塩沈殿に比べて炭酸塩とケイ酸塩の風化作用が増加すると、海洋のアルカリ度が上昇することになる。

風化促進は当初、砕かれたケイ酸塩鉱物が地表に広がることを特に指すために使用されました。^{[ 16 ] [ 17 ]}岩石原料の反応表面積、受け入れ土壌の溶液pHとpH緩衝能などの地球化学的制約に加えて、^{[ 18 ]}土壌中の生物活性がケイ酸塩鉱物の溶解を促進することが示されていますが、^{[ 19 ]}これがどのくらいの速さで起こるかについてはまだ不確実性があります。風化速度は溶液中の溶解鉱物の飽和度（完全に飽和した溶液ではゼロに減少）の関数であるため、降雨不足が陸上の風化促進を制限する可能性があると示唆する人もいますが、^{[ 20 ]}他の研究者は、二次鉱物形成または生物学的取り込みが飽和を抑制し、風化を促進する可能性があると示唆しています。 ^{[ 21 ]}

粉砕に必要なエネルギー量は、鉱物の溶解速度によって決まります（鉱物の溶解が速いほど、粉砕に必要なエネルギーは少なくなります）。2012年の研究では、鉱物の溶解速度に関する不確実性のため、風化促進の潜在的なコストには大きな幅があることが示唆されました。^{[ 22 ]}

溶液飽和の限界を克服し、波のエネルギーによる砂粒子の自然な粉砕を利用するために、ケイ酸塩鉱物が沿岸環境に適用される可能性があるが、^{[ 23 ]}海水のpHが高いと溶解速度が大幅に低下する可能性があり、^{[ 24 ]}波の作用によってどの程度の粉砕が可能かは不明である。

あるいは、炭酸塩鉱物を海洋の湧昇域に直接適用する方法も研究されている。 ^{[ 25 ]}炭酸塩鉱物は海洋の表層では過飽和状態にあるが、深層では不飽和状態にある。湧昇域では、この不飽和水が表層に運ばれる。この技術はおそらく安価になるだろうが、年間最大CO2_隔離ポテンシャルは限られている。

炭酸塩鉱物を酸化物に変え、この物質を外洋に散布する（「海洋石灰化」）ことが代替技術として提案されている。^{[ 26 ]}ここでは、炭酸塩鉱物（CaCO3 _）が焼成によって石灰（CaO）に変換される。この技術に必要なエネルギーは相当なものである。

風化を促進するために、「玄武岩を粉砕するための遠隔地の玄武岩質海底での核爆発」も提案されている。^{[ 27 ]}

ケイ酸塩の溶解と炭酸化の促進（「鉱物炭酸化」）は、1990 年に Seifritz によって初めて提案され^{[ 28 ]}、最初は Lackner らによって開発され^{[ 29 ]}、その後Albany Research Centerによってさらに発展しました^{[ 30 ]}。この初期の研究では、制御された反応器内で、抽出および粉砕されたケイ酸塩の炭酸化を高温（約 180 °C）および CO ₂の分圧（約 15 MPa）で調査しました（「ex-situ 鉱物炭酸化」）。一部の研究では、CO ₂をケイ酸塩岩層に注入して地下での炭酸塩形成を促進する「in-situ 鉱物炭酸化」の可能性を探っています（Carbfix を参照）。

鉱物炭酸化の研究は、主に排ガスからの_CO₂の隔離に焦点を当ててきた。CO₂_の発生源が大気中である場合、例えば直接空気回収やバイオマスCCSなどを通じて、地球工学に利用できる可能性がある。

土壌の再鉱化は風化プロセスの促進に貢献します。土壌にケイ酸塩などの砕石を混ぜることは、植物の健康だけでなく、カルシウムやマグネシウムが存在する場合には炭素隔離にも有益です。^{[ 31 ]} Remineralize The Earthは、土壌にミネラルを回復させ、植生の質を向上させ、炭素隔離を増やすために、農地で天然肥料として岩粉の使用を推進する非営利団体です。

豊富な余剰電力が利用可能な場所では、ケイ酸塩鉱物の電解溶解が提案され^{[ 32 ]}、実験的に実証されている。このプロセスは、一部の鉱物の風化に似ている。さらに、生成される水素はカーボンネガティブとなる^{[ 33 ] 。}

岩石風化促進に必要なエネルギー量が多いことから、核兵器が最も実現可能な選択肢であると提案されている。ワーキングペーパー「大規模炭素隔離のための核爆発」^{[ 34 ]}では、遠隔地の玄武岩が豊富な海底で非常に大きな出力の核兵器（81 Gt）を爆発させて粉砕し、大量のCO2を捕捉することを提案して_いる。

これは過激な解決策ではあるものの、そのような爆発の影響は局所的で海洋によって封じ込められるだろうし、衝撃的ではあるものの、気候変動を放置した場合に比べれば、生態系や人的被害はごくわずかだろうと主張されている。

2020年の技術経済分析では、この方法を農地で利用するコストは、CO2 1トンあたり80～180米ドルと推定されました_。これは、現在利用可能な大気から二酸化炭素を除去する他の方法（BECCS（CO2 ₁トンあたり100～200米ドル） -バイオエネルギー炭素回収・貯留）や、大規模展開と低コストのエネルギー投入による直接空気回収・貯留（CO2 _{1トンあたり100～300米ドル）と同程度です。対照的に、}再植林のコストは、 CO2 ₁トンあたり100米ドル未満と推定されました。^{[ 35 ]}

核強化風化の場合、30年分のCO2排出量（1兆800億トン）を回収するには_約100億ドル^{[ 36 ]}_{かかり、CO2 1}トンあたり0.000926セントのコストとなり、非常に手頃な価格になります。

インドに拠点を置くAlt Carbonは、地球規模の知能のための農業インフラを構築するディープテック科学・データ企業です。グローバルサウスの農家や科学者と協力して、未利用地を炭素吸収源に変えています。ダージリン再生プロジェクトの一環として、鉱山から廃棄玄武岩を調達し、農地に散布しています。雨水が玄武岩を溶かすと、土壌のpHが改善され、必須栄養素が放出され、構造と保水性が向上し、同時にCO₂と反応して重炭酸塩が生成されます。2025年11月、 Alt Carbonは、日本の海運大手である商船三井にアジア最大規模のERWクレジットを発行しました。

ヒューストンに拠点を置くMati Carbon社は、砕いた玄武岩を農地に散布することで岩石風化を促進している。このプロセスは二酸化炭素と水と反応して重炭酸塩を生成する。同社のプロジェクトはインド、ザンビア、タンザニアの農場で行われている。^{[ 37 ]}

英国に拠点を置く強化風化企業であるUNDO は、玄武岩や珪灰石などの砕いた珪酸塩岩を英国、カナダ、オーストラリアの農地に散布しています。同社は、これまでに 20 万トン以上の砕石を散布しており、岩石が風化するにつれて 4 万トン以上の CO _{2を吸収すると主張しています。2024 年 3 月には、}ニューカッスル大学と共同で、温帯気候における砕いた玄武岩の農業上の副次的効果に関する査読付き論文^{[ 38 ] を}PLOS ONE誌に発表しました。同社は、マスク財団が主催する 1 億ドルのコンテストである XPRIZE Carbon Removal ^{[ 39 ]}の 20 社のファイナリストの 1 つでした。

アイルランドのSilicateという会社がアイルランドで試験を実施し、2023年にはシカゴ近郊の米国でも試験を実施していた。同社は、50ヘクタールあたり500トンの割合で粉砕したコンクリートを農地に散布し、その地域から年間100トンのCO2を回収することを目指していた_。土壌の質と作物の生産性を向上させると主張し、同社は炭素除去クレジットを販売してコストを賄っていた。初期のパイロット資金は、THRIVE/Shell Climate-Smart Agriculture Challengeでこのスタートアップに授与された賞金から出ている。^{[ 40 ] [ 41 ]}

• オリビン § 実験的用途

• 強化耐候性会議2022