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NG:沉积岩风化的二氧化碳释放对大气升温的正反馈
2021-11-12 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  沉积岩在近地表分布广泛,约占大陆面积的64%,储碳量丰富。沉积岩的化学风化导致封存在岩石圈中的碳活化,从而改变短时间尺度上的全球碳循环模式,对全球气候变化产生重要影响。传统观点认为岩石的化学风化提供了重要的气候负反馈控制机制:钙硅酸盐()的化学风化作用通过碳酸盐沉积()产生负反馈作用使大气CO2浓度降低,从而显著降低了人类活动产生的大气 CO2增加造成的影响,而碳酸盐的化学风化作用不具有这一功能,因为碳酸盐溶解过程中消耗的所有CO2又通过海洋中相对快速的碳酸盐沉积释放而返回大气(刘再化等,2011Berner et al., 1983Li et al., 2016)。然而,最近英国杜伦大学Guillaume Soulet团队的研究结果对化学风化如何影响长期碳循环的现有模型提出了挑战(Soulet et al., 2021)。 

  沉积岩中含有大量以有机碳和碳酸盐矿物(如方解石)形式存在的碳,剥蚀作用使得沉积岩暴露于大气和水环境中并主要通过以下三种方式释放二氧化碳。 

  有机化合物(OCpetro)与氧气反应产生二氧化碳  

  硫化物矿物氧化过程产生的硫酸溶解碳酸盐矿物并使其快速释放二氧化碳。 

 

  大气中的二氧化碳溶解在大气降水中生成碳酸,碳酸与碳酸盐矿物与硫酸反应释放出二氧化碳。 

  沉积岩风化过程中产生的二氧化碳是全球碳循环中的关键部分,因此作者对气候(温度,水文)条件对风化过程中二氧化碳释放量的控制作用进行了专门研究。 

  作者设计了新方法,直接在岩石露头尺度上对岩石风化产生的碳释放量进行月到年度变化值的测量,从而可以约束它是如何通过温度变化来调节的。 

  以法国INRAE Draix-Bléone观测站的拉瓦尔集水区为研究区,在区内侏罗纪灰岩上进行钻孔(H4,H6,H7,H8,H13),利用二氧化碳分析仪及MS3(分子筛取样系统)测量钻孔内岩石风化过程中产生的二氧化碳通量。 

  如图1,岩石钻孔内的总体二氧化碳通量展示出了时间和空间上的差异性:二氧化碳通量随季节而变,温暖月份通量更高。H6钻孔内的二氧化碳通量值总是高于其一米之下的H4通量值。 

 

1 在拉瓦尔集水区岩石空洞内测量的二氧化碳通量与温度(黑线)比较图(Soulet et al., 2021

  作者提出了钻孔内气温与二氧化碳通量的普遍对应规律: 

 

其中:F是二氧化碳通量,T是孔内温度,F0为振幅或者0时二氧化碳通量,α是增长率参数,每个钻孔内值相近,变化范围0.057-0.079-1。将测得的二氧化碳通量归一化为振幅参数(F/F0)时,这五个钻孔共同揭示了二氧化碳通量的季节性模式(2):平均来讲,夏季通量(678月)比冬季通量(1212)大五倍。增长率参数α0.070±0.007-1 

 

2 对五个钻孔内二氧化碳通量归一化后进行拟合(实线)及其1σ包络线(虚线)(Soulet et al., 2021

  总通量与F0随钻孔高程的不同而变化,与钻孔和拉瓦尔河床的相对高程呈正相关(图3)。海拔越高,氧气扩散至岩石孔隙中充满空气,氧气扩散促进黄铁矿和有机碳的氧化作用,二氧化碳在风化过程中释放至岩石表面。而越接近地下水位,充满水的孔隙越可能会减慢氧气和二氧化碳的扩散,从而减少有机碳的氧化作用以及硫酸作用下的碳酸盐溶解反应。 

3 二氧化碳通量与钻孔高程的相关性:点线是高程与二氧化碳通量中位数的线性拟合,符号是通过对每个孔的数据进行指数增长拟合获得的F0,虚线是高程与F0的线性拟合(Soulet et al., 2021

  综上,二氧化碳通量的变化可以与降水、渗透和径流联系起来。事实上,作者观测到2017年十月中旬在经历了四个月的干旱期后,二氧化碳通量值达到最大。所有的钻孔对水文条件表现出了相似的反应,表明气体运动——氧气进入和二氧化碳释放受到水饱和度的控制。 

  岩石风化及二氧化碳排放量对温度的敏感性由温度敏感性系数Q10来表征,即温度每增加10,二氧化碳通量的变化量。 

其中α为公式(7)中的平均增长率系数。在拉瓦尔集水区,0-25温度范围内的Q102.0±0.1.  

  如果该有机碳氧化的Q10测量值分布更广泛的话,24的全球气温升高可能使二氧化碳增加15%-30%。然而这种地质二氧化碳排放的不平衡不太可能持续超过106年。因此全球化学风化作用下气温维持平衡的机制需要被重新审视。目前全球尺度上我们对沉积岩中硫化物氧化和碳酸盐矿物在硫酸作用下的风化知之甚少,但是Q10的测量值表明这可以进一步增强与氧化风化相关的大气CO2浓度的正反馈。 

  总体而言,作者认为沉积岩的风化是对全球气候变化做出的一种正反馈反应,而这种反馈以前被人们所忽视。目前的地质碳循环模型仍未考虑这种温度控制下的通过有机化合物OCpetro氧化和/或通过硫酸溶解CaCO3CO2释放现象。然而试验数据表明,它们应该被考虑,并且它们的温度敏感性应该与硅酸盐风化的温度敏感性一起考虑。 

  主要参考文献 

  刘再华, Dreybrodt W, 刘洹等. 大气CO2:硅酸盐风化还是碳酸盐风化的贡献?[J]. 第四纪研究, 2011, 31(3):426-430.  

  Berner R A, Lasaga A C, Garrels R M. The carbonate-silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric carbon dioxide over the past 100 million years[J]. American Journal of Science, 1983, 283: 641-683. 

  Li G, Hartmann J, Derry L A, et al. Temperature dependence of basalt weathering[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 443: 59-69.  

  Soulet G, Hilton R G, Garnett M H, et al. Temperature control on CO2 emissions from the weathering of sedimentary rocks[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(9): 665-671.原文链接 

  (撰稿:李丽慧,陈旭蕾,庞忠和/页岩气与工程室)

 
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