大规模CO2地质储存可能引起的环境风险包括全球环境影响和局部环境影响。全球环境影响主要是指地下储存的CO2泄漏到大气中，降低CO2地质储存对减缓气候变化的作用。局部环境风险主要是指CO2地质储存对局部地区环境甚至人体健康产生的不利影响，如地下水污染等。
CO2地质储存技术潜在的危害主要有两个方面:一是可能增大接纳水体的酸度，打破原有的地球化学和生态平衡;二是一旦发生大规模新构造运动，大量的CO2泄漏将给附近地区造成毁灭性的灾难(周锡堂等，2006)。
一、二氧化碳地质储存安全和环境风险的涵义
我国现行行业标准HJ/T169－2004《建设项目环境风险评价技术导则》(国家环境保护总局，2004年发布)，对建设项目“环境风险评价”的定义是，建设项目环境风险评价是对建设项目建设和运行期间发生的可预测突发性事件或事故(一般不包括人为破坏及自然灾害)引起有毒有害、易燃易爆等物质泄漏，或突发事件产生的新的有毒有害物质，所造成的对人身安全与环境的影响和损害进行评估，提出防范、应急与减缓措施。评价流程包括风险识别、源项分析、后果计算、风险评价、风险管理和应急措施六项。
根据我国现行行业标准AQ8001－2007《安全评价通则》，安全评价是以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程原理和方法，对工程、系统中存在的危险、有害因素进行辨识与分析，判断工程、系统发生事故和职业危害的可能性及其严重程度，从而为制定防范措施和管理决策提供科学依据。安全评价程序包括准备阶段、危险因素识别与分析、定性定量评价、提出安全对策措施。
由上述可见，环境风险评价的目的是分析和预测建设项目存在的潜在危险、有害因素，建设项目建设和运行期间可能发生的突发性事件或事故(一般不包括人为破坏及自然灾害)，引起有毒有害和易燃易爆等物质泄漏，所造成的人身安全与环境影响和损害程度，提出合理可行的防范、应急与减缓措施，从而使建设项目事故率、损失和环境影响达到可接受水平。
安全评价的目的是查找、分析和预测存在的危险、有害因素，以及可能导致的危险、危害后果和程度，提出合理可行的安全对策措施，指导危险源监控和事故预防，进而达到最低事故率、最少损失和最优的安全投资效益。
环境风险评价和安全评价的评价对象分别为环境风险和安全问题。环境风险评价主要针对自然环境，如水、空气、土壤等，及其通过自然环境的传递对人身健康安全造成的伤害;安全评价主要针对人为因素和设备因素等引发的火灾、爆炸、中毒等重大安全危害。
环境风险评价和安全评价在评价内容、评价程序和评价方法上很多是相通的，特别是对危险源辨识、风险概率计算时，采用的方法基本相同。方法的基本原理都是风险理论与方法，常用事故树或事件树方法来分析、确定项目涉及的危险源和风险概率等。在判别指标上，两类评价都将自然人作为重要的评价判别指标来进行评价。不同的是安全风险评价的重点是厂(场)界内火灾、爆炸和人员急性毒害;环境风险评价的重点是厂(场)界外空气、水、土壤的污染、生态危害和人员毒害(李伟东等，2008)。
基于上述，考虑到CO2地质储存的特殊性，本书作者初步认为CO2地质储存的环境风险是指生产设施、CO2地质储存灌注工程建设、运行和封场后CO2泄漏对场地及周围一定区域内人群及生态环境系统产生的危害、对土壤和地下水产生污染等的风险。CO2地质储存的安全风险是指CO2地质储存灌注工程运行和封场后CO2灌注井、监测井井口装置失效，以及CO2通过人为泄漏通道(原有废弃井、灌注井和监测井井管断裂等)、地质构造泄漏通道、跨越盖层和水力圈闭泄漏通道，导致大量的CO2泄漏，引起周围人群及动、植物中毒，以及对人身、生态环境和水环境等安全产生威胁等的风险。
上述界定具有如下内涵:
1)CO2地质储存安全和环境风险评价既不同于一般地上工程建设项目，也不同于地下建设项目安全和环境风险评价，如天然气储气库周期性注、采和储气库地层压力处于年际间周期性变化等。CO2地质储存鲜明的特殊性体现在储存的长期性，储存工程系统属于高压装置，以及CO2地质储存泄漏通道的复杂性和地下储存库的隐蔽性。关键技术在于集成已有的安全和环境风险评价的理论方法，创新性地提出对长时间、大范围内，特别是储存场地封场及封场后，灌注井、监测井等地下隐蔽工程、CO2地质储存泄漏通道和地下储存库的安全风险评价方法。
2)CO2地质储存环境风险因素以生产设施和物质因素为主，主要包括CO2地质储存工程施工、灌注工程实施与管理以及建设和运行期间的物质产生。风险环节是灌注井、监测井，以及废弃井井筒的完整性和井口装置等相关工程单元机械失效，以及储存期间的CO2泄漏。相比而言，一旦出现CO2泄漏事故，是人为可以控制的，影响范围相对较小。
3)CO2地质储存地质安全风险因素主要以地质因素为主，包括地震、活动断裂运动、火山喷发、滑坡、崩塌、泥石流、地下水运动等突发或缓变的自然内、外动力地质作用。风险环节是地下CO2地质储存库崩溃和与之联通的各类CO2地质储存泄漏通道的开启。相比而言，一旦因地质因素导致CO2发生泄漏事故，是人为不可控制的，影响范围更大，危害更为严重;
4)CO2地质储存环境风险和安全风险的主要风险物均为CO2，主要的风险事故为泄漏，承灾体为人群及其与之密切相关的水环境、土壤环境、大气环境和动、植物生态环境。评价的重点是事故态下的CO2泄漏，对人群和生态系统的损害程度，以及土壤、地表水和地下水的污染程度等。此外，也可能间接增加对建筑物基础、桥梁基础和其他构筑物基础的腐蚀性。
由于CO2地质储存技术在我国尚处于知识储备和工程示范阶段，现阶段安全风险评价和环境风险评价界定依然不明确，本书着重从CO2地质储存场地选址与综合地质调查、CO2灌注井、监测井完整性和安全及环境监测几大环节提出初步见解。
二、公众对二氧化碳地质储存风险调查的反应
有关公众对CCS的认知水平和可接受度调查表明，仅就CO2地质储存而言，受调查者倾向于认为突然大规模泄漏是主要或严重的风险;而多数人认为CCS对于生态系统影响、区域投资环境也具有中等以上风险;值得注意的是，较多受调查者认为在地质灾害、对人体健康影响、水污染和土壤退化等方面，CCS的风险不确定或信息不充足(图8－2)(胡虎等，2009)。
图8－2CCS实施的风险评估(据胡虎等，2009)
三、二氧化碳泄漏可能产生的安全与环境问题
(一)对人群健康和生态系统的影响
CO2是人体生理必需物质，属于呼吸中枢的兴奋剂，是人呼吸的排出物，调节血液中的pH值。CO2一般意义上不是有毒物质，浓度超过一定范围才对人体产生毒害作用(梁宝生等，2003)。CO2为大气中可变组分，正常空气中CO2浓度为(300～500)×10－6，人体呼出气体中CO2浓度约为4000×10－6。高浓度CO2(>15000×10－6)会引发中枢神经系统中毒，使呼吸中枢先兴奋、后抑制，最后导致麻痹和窒息，机体缺氧而导致肺、肾等脏器充血、水肿(纪云晶，1991)。
我国现行《工作场所有害因素职业接触限值》(GBZ2－2002)，规定CO2短时间接触容许浓度为18000mg/m3;我国现行《室内空气质量标准》(GB/T18883－2002)，规定室内CO2日平均值为0.1%。
根据前苏联的空间实验研究结果，5000×10－6被认为是人体对CO2长期耐受浓度的极限，15000×10－6是CO2毒性的起始浓度，90000×10－6是CO2对人的最小致死浓度。表8－1为CO2的毒性研究结果。表8－2为人体暴露于不同浓度的CO2中的中毒反应。CO2对人的中毒浓度差别很大，Lehmann论述了在发酵仓中如果CO2浓度为10000～25000×10－6，一个健康人可以耐受1年时间，当浓度为60000～120000×10－6时才发生中毒。
表8－1CO2的毒性
表8－2人体暴露不同浓度水平的CO2的中毒反应
CO2对人体的物理作用是逐步产生的，与浓度和暴露在CO2中的时间有关(沈平平等，2009)(图8－3)。在CO2浓度为1.5%的低浓度条件下，1小时左右其物理作用并不明显。当浓度为3%～5%时，呼吸加快、加深并伴有头昏眼花症状。当浓度达到5%～9%时，就会感到恶心和眩晕。超过9%，只要待5～10分钟就会昏迷。当浓度超过20%，待20～30分钟就会死亡。因此，在地上环境、地下室或房屋中，高浓度的CO2影响健康，使人类和其他动物从窒息到死亡(Bensonetal.，2002)。野外实验表明，当CO2浓度小于1%时，没有证据表明对人有任何危害影响(BertMetzetal.，2005)。
由于CO2的密度比空气重近50%，当地质储存的CO2发生泄漏，进入近地表大气环境后，将在重力和大气流的作用下，沿地表在较浅的洼地聚集，使局部地区浓度偏高。如果人或动物在此区域活动，危险也随之产生。因此，不宜将CO2灌注场地置于地势低洼，缺乏主导风向的地区。
CO2在生态系统中起着重要的作用。植物光合作用过程中，在光和叶绿素的催化作用下，空气中的CO2和水反应生成糖等有机物，同时释放出氧气，即:6CO2+6H2O=C6H12O6+6O2↑
图8－3CO2的物理影响(据Fleming等，1992)
在热带雨林中这一反应约占整个地球的60%以上。在动物的呼吸循环中发生上述反应的逆过程，即从大气中吸入氧气，与体内的糖反应，产生动物生命活动所需的能量，同时放出CO2(沈平平等，2009)。
CO2泄漏至地表土壤层时，可导致土壤的酸化和土壤中氧的置换，进而影响植被生态系统。高流量的CO2引起土壤气体中CO2浓度增高，会导致植物呼吸作用受限，甚至死亡(Farraretal.，1995;Qietal.，1994)。此外，低pH值和高CO2浓度环境可促使部分生物大量繁殖，导致另外一部分生物由于自然竞争的优胜劣汰而逐渐萎缩甚至消失。
一般土壤气里CO2的正常含量应该维持在0.2%～4%之间，当含量增加到5%时将对植物的生长产生不利的影响;当上升至20%时，CO2将变成有毒物质(BertMetzetal.，2005)。因此，长期存在CO2泄漏的陆地表面附近，植物一般很难生长。
(二)导致地下水污染
通常情况下，CO2地质储存注入深度在地表800m以下，远远深于饮用含水层深度，而且饮用含水层与CO2储层之间常被多层非渗透岩层构成的隔水层(盖层)相隔离(图8－4)。只要通过谨慎的选址和注入井、监测井井管外严格封固，CO2对饮用含水层的影响微乎其微。CO2本身亦不太可能向上运移进入浅层地下水含水层，再加上CO2监测、地下水分析和示踪剂追踪都能监测到CO2进入饮用含水层的现象，并且能够计算出对水资源的量与质的影响程度(IEA，2008)。
当泄漏的CO2进入饮用地下水补给区时，CO2的溶解量增加，会导致地下水pH值降低，使微量元素在地下水中的富集程度增加，形成一些有机酸，增加某些有毒重金属和化合物，如铅、硫酸盐和氯化物的活动性，可能改变地下水的物理性质，并造成地下水水质破坏(强薇等，2006;曾荣树等，2004)。
CO2及其随CO2泄漏一起运移的有害物质对地下水质量的影响主要包括以下几个方面:
1)在陆地上进行CO2地质储存时，最可能出现的问题是由于CO2泄漏，导致CO2进入饮用地下水含水系统;
2)碳酸盐矿物和铁氧化物对砂岩和碳酸盐岩含水层的地下水质量有重要的控制作用;
图8－4CO2地质储存与饮用水含水层开采层位和深度关系图
3)CO2泄漏可能引起重金属污染物从矿体进入下游饮用地下水含水系统;
4)即使从地下储存库渗漏出少量的CO2，也可能造成饮用地下水质量的严重破坏;
5)大量CO2的注入将改变地层中的孔隙流体压力，使原有孔隙流体被CO2挤出或置换，矿化度较高的地下水则通过断裂、裂缝或钻井向浅部地层运移，将对浅部地下水造成污染。
显然，在CO2地质储存过程中，不管是物理贮存还是地球化学贮存，都将受到岩层的压力、温度和地球化学等因素影响，而这些因素都与一定的水文地质条件相关联。因此，适宜的水文地质条件是CO2长期安全储存的基础地质条件之一(曾荣树等，2004;强薇等，2006)。
综上所述，在CO2地质储存场地选址勘查评价阶段，应加强区域水文地质条件的调查与研究，查明区域性含水层与隔水层的分布以及各地下水系统之间的关系。不仅要重点研究盖层的力学稳定性和封闭性，也要高度关注盖层上部多层结构承压水含水层各隔水层的封闭性，即二次截留或二次封闭能力。特别应高度重视断裂系统与各地下水含水层之间的潜在输导关系，尽可能查明CO2通过含水层或断裂系统发生泄漏的各种地质－水文地质途径。
(三)诱发地质灾害
1.诱发地震
Talebi et al.(1998)研究发现，在靠近震源附近，如果向孔隙中注入流体，将极易诱发地震产生。因此，将大量的CO2注入沉积层或断裂岩体后，会改变岩层本身的力学状态，储层或附近高的孔洞压力可诱发微震，甚至发生破坏性地震(IPCC，2005;强薇等，2006;许志明等，2009)。
通常情况下，深井注入能削弱断层强度，成为断层位移的“润滑剂”和驱动力，从而导致地震发生。高压下，通过岩层或断层之间的应力－应变变化关系可以清楚地认识到这一点(图8－5)。随着CO2注入，地层压力逐渐增加，在应力平衡条件下，岩层的轴向压力和侧限压力相应减少(图8－5a)，当整个岩层力学系统无法维持这种平衡时，必将导致断层活动，从而诱发地震(许志明等，2008)。
JUrgen et al.(2004)运用“摩尔圆理论”，详细解释了孔隙流体压力变化与断层稳定性之间的关系(图8－5b)。岩层间的有效作用力随孔隙流体压力增加而降低，当孔隙流体压力增加到一定程度时，将导致断层的封闭作用和岩层间的相互作用和原有的封闭系统整体失效。
图8－5断层稳定性随孔隙流体压力变化图(据JUrgen等，2004)
显然，CO2注入储层孔隙后会造成储层压力增加，如果注入压力超过储层上部盖层压力，可能诱发盖层产生裂缝，形成断层，并发生移动，进而产生两方面的风险:一是由于高压所形成的破碎带和与之相关的微地震将提高破碎带的渗透率，进而为CO2泄漏提供了通道;二是高压所导致的断层活动有可能诱发地震，产生更大的危害。因此，应加强CO2地质储存诱发地震的监测和机理研究。
2.诱发地面变形
在构造压力很大的储层中，任何构造压力的变化均会诱发断裂，导致地表向上抬升或向下错断。另外，CO2储层岩石的溶解也会导致地面沉降。如果含水的CO2腐蚀了岩石结构，在上覆结构层的作用下，储层会被压密，在多孔的碳酸盐岩储层中尤其要关注此类问题(强薇等，2006)。
四、类似二氧化碳地质储存泄漏事故分析
(一)自然因素引发的二氧化碳致灾实例
据文献检索，在自然因素影响下，1986年喀麦隆的尼奥斯湖(LakeNyos)大量堆积在湖底的CO2突然释放出来，造成方圆25km范围内的1700多人和大量的动物窒息死亡。
1984年，喀麦隆的莫奴恩湖(LakeMonoun)地震释放出的CO2造成37人死亡。1979年，印度尼西亚的迪恩火山(Diengvolcano)爆发，释放出20×104tCO2，造成142人窒息。
2006年4月，美国加利福尼亚猛犸象山(Mammoth Mountain)的三名滑雪巡逻员在试图进入用篱笆隔离一个危险的火山口时，由于高浓度的CO2而窒息死亡，而且100公亩内的树木也由于CO2浓度过高而死亡。
目前仍有人担心储存于地下的CO2可能会像多年前喀麦隆Nyos湖CO2泄漏事件一般造成重大伤亡。Nyos湖位于喀麦隆中西部Oku火山区，为火山口湖，海拔1091m，长约2500m，宽约1500m，平均水深200m。1986年8月21日夜间，CO2突然从湖中喷出，掀起80m高浪，CO2迅速扩散，半个小时即使沿湖1746位居民和6000多头牲畜窒息死亡。
调查发现Nyos湖底的CO2系因火山活动产生，从地层深处缓慢渗进湖底，依靠湖水封存，密度不断增大，喷发前至少聚积了3×108m3CO2，恰遇湖旁因地震发生坍方，搅动湖水，使得聚集于湖水底部的CO2泄漏，而泄漏情形异常剧烈，仿佛爆炸一般，爆发之后CO2仍不断聚集增加。
Nyos湖底的CO2系因火山活动从地层深处缓慢渗进湖底，依靠湖水封存，遇上湖旁因地震发生坍方，搅动湖水，聚集于湖底的CO2泄漏，此种情形与CO2地质储存在盖层封闭机理上明显不同。
(二)人为因素引发的二氧化碳致灾实例
1.同类事故类比分析
目前，尚未见到CO2地质储存发生CO2泄漏的实例报道。为此，IPCC(2005)特别报告以美国天然气储集工程说明CO2储存的可能性。目前，在美国有470个天然气储集场所，储集约160×104t天然气。最新的监测管理发现，共有9处发生了泄漏。其中，有5处直接与井筒的完整性有关，1处与早期选址失误有关，有3处由于上覆盖层封闭不严密，其中2处已经被修复，1处直接导致工程报废。此外，发生在Kansas地区的钻井严重泄漏事件，直接导致3000tCO2泄漏到大气中，占总存储量的0.002%(Lee，2001)。经调查，Kansas地区至少有470个钻井设施服务年龄已经超过25年，钻井设施的陈旧老化直接导致了泄漏风险的产生。
IPCC特别报告认为，CO2地质储存泄漏风险要比天然气储存小。因天然气储存需要快速的变压循环，从而增加了泄漏的可能性。而CO2被注入后会与水发生溶解，从而减小了压力，降低了泄漏的风险。CO2地质储存同天然气储存相比，因天然气是易燃气体，所造成的泄漏危害更大;同核废料地质处置相比，核废料是以其高度的危害性为基础进行风险评估的，相比之下CO2泄漏导致的危害要温和的多。
2.同类事故类比对人类健康和安全造成的影响
目前，尚无此类实例报道。IPCC特别报告推断，CO2地质储存泄漏事故对人类健康和安全的危害主要由周围大气环境、低洼地势和建筑物等CO2浓度上升引起。一旦CO2的浓度超过2%将会使人呼吸困难，超过7%～10%时，将会导致休克和死亡。一般而言，浓度低于1%时，不会产生危险。
对风险评估最大的挑战是如何估计CO2泄漏至浅层地面后的运移分布状况以及在周围环境的浓度分布情况。空气中CO2的浓度受当地地形和气候条件影响明显。因为CO2的密度比空气大50%，所以它倾向于往低处流动，于低洼地势处聚集。工程中缓慢的泄漏虽然不是很重要的因素，但是有理由相信有可能对人类造成危害。由于采矿和火山喷发剧烈震动等原因CO2有可能发生突然大量的泄漏聚集。特别是CO2地质储存封场后，如果管理和预防措施被忽略，这种情况很有可能发生。因此，CO2地质储存封场后的安全和环境管理与监测将成为一项长期的任务。
3.同类事故类比对生态系统造成的影响
IPCC特别报告指出，当前没有来自陆地生态系统的证据表明，当前的CO2地质储存工程会对陆地生态系统造成影响。同样，提高石油采收率的工程中也没有明显的证据，相关提高系统采收率工程中也没有对陆地生态系统的系统性进行研究。
类似的实例是发生在20世纪90年代美国内华达州Dixie峡谷地区，由于该地区地表下深3000m上下，赋存有一处近62MW的地热资源储层，每年不断地向地表释放大量的CO2，平均每天释放7g/m2，最大可达到每天570g/m2，使地表附近植物彻底消亡。直到1999年，随着监测的CO2浓度的降低，植物才开始慢慢地恢复生长(BertMetzetal.，2005)。
虽然火山喷发产生的CO2为研究储存CO2可能泄漏到大气产生的影响提供了可借鉴的案例，但两者之间存在很大的区别，有一定的局限性。如1999年9月和2001年10月，在意大利的几起独立事故中共有29头牛和8只羊窒息死亡。当时CO2浓度达到了98%，H2S浓度达到了2%，并且当时的风速较低，因而导致牲畜死亡。
4.同类事故类比对地下水造成的影响
目前，尚无此类比实例。IPCC特别报告推断，在陆地上进行CO2地质储存时，由于泄漏可能导致CO2进入饮用含水层地下水系统，导致地下水pH值降低，使许多微量元素在地下水中富集程度增加而影响水质。另外，CO2的泄漏也可能引起重金属污染物由矿体进入下游饮用含水层地下水系统，从而造成地下水水质的破坏。
5.同类事故类比诱发地震情况
据报道，在美国科罗拉多州Rangely油田，已发生过因为向孔隙中注入流体而导致微地震产生的事件(Gibbs et al.，1973)。德国大陆深钻工程(Shapiro et al.，1997)和加拿大艾伯特冷湖油田(Talebi et al.，1998)都因为向深部钻井中注入废水而频繁诱发中等级别的地震。美国1967年和1986～1987年分别发生的5.3级Denver地震和4.9级Ohio地震，都与向孔隙中注入流体相关(Bert Metz et al.，2005)。
2000年8月21日～10月20日，德国大陆超深钻井(KTB)进行了为期60天的新一轮注水诱发地震实验，对其中的237次地震进行了精确定位。定位结果显示，在大于9.3km的深度(几乎是主井底的深度)没有发生诱发地震。这一现象表明，在这个深度，应力可能低于摩擦强度，注水引起的孔隙压力变化不足以诱发地震，不存在可渗透的、倾向恰当的断层。即使这一相对稳定的板块内部，主井底已接近脆—韧性转换带。并用实验室的结果和超深钻井中所观测到的热流值资料解释了这一现象(涂毅敏，2002)。
6.已有二氧化碳地质储存计算机数值模拟成果
通过数学模拟可以探究CO2通过各种泄漏通道对生物圈可能发生的泄漏，比如废弃井。这种模拟使风险评估更加有效。如在Weyburn地区的两项研究中就采用数值模拟技术模拟CO2可能对生物圈的泄漏影响。Walton使用基于概率论的数学模型对CO2运移和对生物圈可能的泄漏进行了模拟和估算。Walton研究表明，5000年以后，少于总储存量的1%的CO2发生泄漏的概率是95%。使用一个确定性的模型进行模拟，Zhou发现在5000年以内不会有CO2发生泄漏。然而使用概率论CO2运移的模型对废弃井进行模拟，表明平均会有总量的0.001%发生泄漏，最大量为0.14%(IPCC，2005)。