Carbon dioxide sequestration (CO2) by mineral carbonation and its relation to weathering of mafic rocks, pali aike volcanic field, Chilean Patagonia

Abstract

Resumo: Esta tese investiga os processos naturais e experimentais de mineralização de CO2 no Campo Vulcânico de Pali Aike (PAVF), localizado na Patagônia Sul, uma província basáltica moldada pelo vulcanismo quaternário, pela história glacial e por condições climáticas frias e áridas. A configuração geológica singular da região fornece um laboratório natural para explorar a interação entre carbono, água e rochas máficas, estabelecendo conexões entre a precipitação de carbonatos e os processos de armazenamento mineral. Ao combinar abordagens geoquímicas, isotópicas e mineralógicas, o estudo contribui para a compreensão dos processos do ciclo do carbono e do armazenamento mineral em sistemas basálticos. A primeira parte do estudo examina a precipitação natural de carbonatos em um lago alcalino desenvolvido dentro de crateras vulcânicas do Pleistoceno Médio. As análises geoquímicas e isotópicas (Sr radiogênico, d¹³C, d¹8O) de águas lacustres, sedimentos e carbonatos revelam que o carbono inorgânico dissolvido (DIC) é derivado principalmente de CO2 biogênico (~66%), com uma contribuição atmosférica adicional (~34%). O balanço de cálcio é controlado principalmente pelo intemperismo das rochas máficas circundantes (>70%), com pequenas contribuições de solos locais. Esses resultados demonstram como a produtividade biológica, a variabilidade hidrológica e o intemperismo basáltico regulam conjuntamente a saturação e a precipitação de carbonatos em ambientes vulcânicos continentais, destacando a capacidade natural desses sistemas de sequestrar carbono. A segunda parte avalia a reatividade dos basaltos do PAVF sob condições supercríticas de CO2, utilizando experimentos em batelada a 50 °C e 90 bar. A dissolução do basalto liberou rapidamente Ca e Mg, elevando o pH da solução e promovendo a precipitação de carbonatos em poucas semanas. As análises mineralógicas e isotópicas (XRD, SEM, d¹³C = -3,3‰ a -7,3‰; d¹³CDIC = -36‰ a -31‰) confirmam que os minerais carbonáticos se formaram principalmente a partir de reações entre fluidos ricos em CO2 e minerais basálticos. Ao integrar evidências naturais e experimentais, este trabalho demonstra que as rochas máficas da Patagônia Sul não apenas participam ativamente do ciclo do carbono, mas também apresentam um elevado potencial para a mineralização artificial de CO2. Os resultados posicionam o Campo Vulcânico de Pali Aike como um sítio estratégico para futuras iniciativas de armazenamento de carbono e contribuem para uma compreensão mais ampla das províncias basálticas como reservatórios naturais dos processos do carbono viáveis para o sequestro geológico permanente de CO2

Abstract: This thesis investigates both natural and experimental processes of CO2 mineralization in the Pali Aike Volcanic Field (PAVF), southern Patagonia, a basaltic province shaped by Quaternary volcanism, glacial history, and cold-arid climatic conditions. The region’s unique geological setting provides a natural laboratory to explore the interaction between carbon, water, and mafic rocks, linking carbonate precipitation. By combining geochemical, isotopic, and mineralogical approaches, this study contributes to the understanding of carbon cycle processes and mineral storage in basaltic systems. The first component examines natural carbonate precipitation in an alkaline maar lake developed within Middle Pleistocene volcanic craters. Geochemical and isotopic analyses (radiogenic Sr, d¹³C, d¹8O) of lake water, sediments, and carbonates reveal that dissolved inorganic carbon (DIC) is primarily derived from biogenic CO2 (~66%) with an additional atmospheric contribution (~34%). The calcium budget is mainly controlled by the weathering of surrounding mafic rocks (>70%), with inputs from local soils. These findings demonstrate how biological productivity, hydrological variability, and basalt weathering together regulate carbonate saturation and precipitation in continental volcanic environments, highlighting the natural capacity of these systems to sequester carbon. The second component assesses the reactivity of PAVF basalts under supercritical CO2 conditions through batch experiments at 50 °C and 90 bar. Basalt dissolution released Ca and Mg rapidly, increasing solution pH and promoting carbonate precipitation within weeks. Mineralogical and isotopic analyses (XRD, SEM, d¹³C = -3.3‰ to -7.3‰; d¹³C_DIC = -36‰ to -31‰) confirm that carbonate minerals formed mainly through reactions between CO2-rich fluids and basaltic minerals. By integrating natural and experimental evidence, this work demonstrates that the mafic rocks of southern Patagonia not only participate in active carbon cycling but also offer significant potential for engineered CO2 mineralization. The results position the Pali Aike Volcanic Field as a strategic site for future carbon storage initiatives and contribute to a broader understanding of basaltic provinces as both natural reservoirs of carbon processes and viable for permanent geological CO2 sequestration