Effect of basaltic particles and iron-containing minerals in wetland soils and reservoirs on CO2 drawdown: An analogue for Enhanced Rock Weathering

Abstract

Battling climate change and rising temperatures is a major task of this century. To achieve current climate goals the large-scale removal of carbon dioxide from the atmosphere is needed. Enhanced Rock Weathering ERW is one of the most promising methods to draw down carbon dioxide from the atmosphere at large scale, but it has been challenging to demonstrate. This work reports the soil water chemistry, mineralogy and carbon balance in an Icelandic Andosol that has received large quantities of basaltic dust over 3300 years, providing opportunity to quantify the rates and long-term consequences of Enhanced Rock Weathering. The continuous dust dissolution has been promoted by the precipitation of Al-Si-minerals, such as allophane, and organic anion ligands released from organic decay. Consequently, the water pH, alkalinity and the concentrations of most major elements have increased. Initially released toxic trace metals are scavenged at depth, likely by uptake through secondary minerals. Some carbon dioxide was stored in solid form as siderite FeCO3. Meanwhile, the alkalinity generation in these soil waters is more than ten-times higher than in equivalent basalt-dust-free soils. This study shows that oxidation in these soil systems leads to the transformation of the dominant Al-rich allophane phases to Fe3+-dominated nontronite and ferrihydrite. Simultaneously, soil water alkalinity is reduced. Potentially remobilized toxic trace metals are scavenged by newly formed minerals such as ferrihydrite. Even in surface waters, ferrihydrite is able to adsorb effectively high concentrations of naturally derived heavy metals, but also affects nutrients like phosphorus. These scavenged elements will potentially be released upon interaction with seawater. After accounting for oxidation and degassing when the soil waters are exposed to the atmosphere, the annual CO2 drawdown by alkalinity generation is estimated at 62 g CO2 m⁻2 yr⁻1. Therefore, this study validates the ability of soil amendments containing fine-grained mafic minerals to attenuate increasing atmospheric CO2 by alkalinity export. If the results of our studied field site are representative, the removal of 1 Gt yr⁻1 CO2 from the atmosphere through alkalinity production alone would require a total of 16 million km2 of surface. However, induced changes in soil organic carbon storage likely dominate the net CO2 drawdown of Enhanced Rock Weathering efforts. At our Icelandic site the rate of organic carbon storage is estimated to be 1.5 to 3 times larger than that of alkalinity storage. This measured specific alkalinity flux is of similar order as the fluxes observed in NE-Icelandic glacier meltwater-fed reservoirs loaded with suspended basaltic particles. Low CO2 partial pressures in these waters, stemming from the water-rock interactions in the reservoirs and beneath the glacier, result in a direct CO2 drawdown from the atmosphere. The annual CO2 drawdown from Hálslón, one of the largest hydro power reservoirs in Iceland, was quantified at 5000 tons annually or 120 g CO2 m⁻2 yr⁻1 present during a six-month ice-free period. Simultaneously, the emissions from the downstream Lagarfljót reservoir decreased from ~5300 t yr⁻1 (100 g CO2 m⁻2 yr⁻1) to ~1700 t yr⁻1 (32 g CO2 m⁻2 yr⁻1 ), after receiving the redirected waters from the new Hálslón reservoir. While the partial pressure gradient between the atmosphere and the water bodies is the main driving force for the CO2 fluxes, it is highly affected by wind speeds but less by temperature variations. Although detailed analyses are lacking, additions of mafic materials to large water bodies to draw down CO2 should still be considered in the future.

Glíman við loftslagsbreytingar og hækkandi hita er meðal höfuðverkefna þessarar aldar. Nauðsynlegt mun reynast að fjarlægja koltvíoxíð úr andrúmslofti í miklum mæli ef loftslagsmarkmið eiga að nást. Einhver vænlegasta aðferð til að nema koltvíoxíð brott úr andrúmslofti í stórum stíl er "aukin bergveðrun", sem svo kallast, en örðugt hefur reynst að sanna mátt hennar. Í þessu riti er fjallað um rannsókn á efnasamsetningu jarðvegsvatns, á steindasamsetningu og á kolefnisjafnvægi í íslenskri eldfjallajörð (andósól), sem orðið hefur fyrir miklu áfoki basaltryks á 3300 árum. Þannig hefur gefist tækifæri til að leggja mat á hraða aukinnar bergveðrunar og áhrif hennar til lengri tíma. Útfelling álkísilsteinda, eins og allófans, og lífrænar jónir, sem fallið hafa til við niðurbrot lífrænna efna, hafa ýtt undir stöðuga upplausn ryksins, en hún hefur hækkað pH-gildi vatnsins, basavirkni og styrk flestra helstu frumefna. Eitraðir snefilmálmar, sem leysast út í fyrstu, eru trúlega teknir upp af síðsteindum á nokkru dýpi. Upptaka koltvíoxíðs úr andrúmslofti af völdum útfellingar járnkarbónats, síderíts, virðist takmörkuð í þessum jarðvegi, þótt hún sé möguleg, en síderítið bindur koltvíoxíðið sem fast efni. Engu að síður er framleiðsla basavirkni í þessu jarðvatni liðlega tífalt meiri en í sambærilegum jarðvegi sem laus er við basaltryk. Rannsóknin sýnir, að oxun í þessum jarðvegi umbreytir hinum ríkjandi álríku allófansteindum í nontrónít og ferríhýdrít, en í þeim er þrígilt járn ráðandi. Um leið minnkar basavirkni jarðvegsvatnsins. Nýmyndaðar steindir, eins og ferríhýdrít, taka upp eitraða snefilmálma, sem kunna að hafa leyst út. Ferríhýdrít getur aðsogað mikið af náttúrulega tilfallandi þungmálmum, jafnvel í yfirborðsvatni, en hefur einnig áhrif á næringarefni eins og fosfór. Sjóvatn gæti leyst þessi uppteknu efni út aftur. Árleg upptaka koltvíoxíðs úr andrúmslofti af völdun framleiðslu basavirkni er metin sem 62 g koltvíoxíðs á fermetra á ári, að teknu tilliti til oxunar og afgösunar, sem verður þegar jarðvegsvatnið kemst undir bert loft. Þessi rannsókn staðfestir þannig, að jarðvegsbætur með fínkorna basalti geta dregið úr aukningu koltvíoxíðs í andrúmslofti með flutningi basavirkni. Séu niðurstöður af þessu rannsóknarsvæði dæmigerðar, má ætla að alls þyrfti 16 milljónir ferkílómetra yfirborðs til að binda eitt gígatonn koltvíoxíðs úr andrúmslofti á ári með framleiðslu basavirkni einni saman. Líklegt er hins vegar, að breytingar á forða lífræns kolefnis í jarðvegi, sem verða í kjölfarið, séu ráðandi um bindingu koltvíoxíðs úr andrúmslofti með aukinni bergveðrun. Á íslenska rannsóknarreitnum er lífræn binding kolefnis metin á bilinu hálf önnur til þreföld binding basavirkninnar. Þetta basavirkniflæði er álíka mikið og mælist í Hálslóni, en í því er mikil basaltsvifaur. Hlutþrýstingur koltvíoxíðs í Hálslóni er lágur vegna efnahvarfa milli vatns og bergs í lóninu og undir jökli, og veldur þessi lági þrýstingur beinni upptekt koltvíoxíðs úr andrúmslofti. Árleg upptaka koltvíoxíðs úr andrúmslofti í Hálslón, eitt stærsta uppistöðulón á Íslandi, var metin sem 5000 tonn á ári, eða 120 g á fermetra á ári, á sex mánaða tímabili þegar lónið var íslaust. Á sama tíma minnkaði losun úr Leginum úr u.þ.b. 5300 tonnum koltvíoxíðs á ári (100 g á fermetra á ári) niður í um 1700 tonn á ári (32 g á fermetra á ári) eftir að vatni úr Hálslóni var veitt þangað. Þó að mismunur hlutþrýstings koltvíoxíðs milli andrúmslofts og vatna sé það sem knýi flæði koltvíoxíðs, þá hefur vindhraði samt mikil áhrif á flæðið, en hiti minni. Þótt ítarlega greiningu vanti ennþá, er ástæða til að íhuga íbót basaltagna í stór vatnshlot þegar fram líða stundir, í því augnamiði að binda koltvíoxíð úr andrúmslofti.