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EGM-5便攜式CO2分析儀原位測定沉積巖碳通量變化

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氣中二氧化碳的濃度影響控制著地球的氣候。沉積巖是一個巨大的碳地質(zhì)儲集層,可以與大氣交換CO2。巖石中的碳以有機(jī)物(如古植物殘。┖吞妓猁}礦物(如方解石或碳酸鈣)的形式儲存。侵蝕作用會使沉積巖暴露在大氣中的氧氣中,這會導(dǎo)致沉積巖的風(fēng)化并進(jìn)一步使得:i)沉積有機(jī)物因氧化作用而釋放CO2;ii)硫化物礦物(如黃鐵礦)因氧化作用產(chǎn)生硫酸,最終溶解碳酸鹽礦物并釋放CO2。

換句話說,當(dāng)沉積巖暴露在大氣中時,它們會釋放出CO2,這些CO2已經(jīng)被封存了數(shù)百萬年。而這一釋放過程與人類燃燒化石燃料排放的CO2相比是非常緩慢的。然而,它很可能是天然碳循環(huán)的主要參與者,并在數(shù)千到數(shù)百萬年的時間里影響著大氣中的CO2。

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1A.EGM-5便攜式CO2氣體分析儀通過MS3采樣系統(tǒng)[3]連接至鉆入巖石表面的取樣室[2],同時我們測量了法國德拉瓦河流域沉積巖的CO2碳通量。(R. HiltonB.于新西蘭懷亞普河流域安裝設(shè)備

盡管如此,這種CO2溢出并沒有受到很好的控制,主要是由于我們?nèi)狈@種情況發(fā)生的速度以及流量在空間和時間上的變化的監(jiān)測。沉積巖風(fēng)化產(chǎn)生的CO2碳通量通常是間接估算的,例如通過測量溶解在河水中的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行估算[1]。到目前為止還沒有直接測量沉積巖CO2碳通量的報(bào)道。

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為了原位測量沉積巖CO2碳通量英國達(dá)勒姆大學(xué)地理系的Robert G. HiltonGuillaume Soulet以及英國東基爾布萊德放射性碳設(shè)施NERC自然環(huán)境研究委員會Mark H. Garnett設(shè)計(jì)了一種新的測定方法。該研究由歐洲研究理事會啟動撥款資助的ROC-CO2項(xiàng)目資助,并由法國OZCAR-RI Draix-Bléone天文臺予以大力支持。

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該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種全新的取樣室[2],與參考文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)的分子篩取樣系統(tǒng)(MS3)進(jìn)行連接,并使用來自美國PP SYSTEMSEGM-5便攜式CO2氣體分析儀進(jìn)行原位測定。該取樣室直接鉆入正在風(fēng)化的巖石表面,通過使用PVC管、橡膠塞和一系列玻璃管和Tygonundefinedreg;管進(jìn)行密封。這使得操作人員能夠通過EGM-5便攜式CO2氣體分析儀(圖1和2)將氣室連接到CO2取樣系統(tǒng)(MS3)。

設(shè)計(jì)的取樣室尺寸通常深40cm,直徑3cm,使取樣室的內(nèi)部面積體積比較高,而有利于CO2流量的測量。

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圖2.新西蘭Waiapu河流域正在使用的新方法(通過MS3監(jiān)測采樣系統(tǒng)[3]將EGM-5便攜式CO2氣體分析儀連接至在巖石面[2]中鉆取的取樣室)示例。(R. Hilton)

取樣氣室是非常穩(wěn)定可靠的,可以在野外停留數(shù)月或數(shù)年,以便監(jiān)測季節(jié)性循環(huán)中CO2流出的變化。該設(shè)計(jì)利用MS3系統(tǒng)[3]的優(yōu)點(diǎn),使操作人員能夠在測量CO2通量的同時,通過分子篩主動捕集CO2。這是一個關(guān)鍵的創(chuàng)新點(diǎn),因?yàn)榉派湫蕴?/span>(14C)和穩(wěn)定碳(12C13C)的組合是取樣CO2的主要成分。需要將測得的CO2通量分為兩部分:沉積有機(jī)物氧化產(chǎn)生的CO2通量和硫酸溶解碳酸鹽產(chǎn)生的CO2通量[2]。

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下圖所示為2017.3.27通過取樣室及EGM-5便攜式CO2測定儀原位測定的CO2通量數(shù)據(jù)及于實(shí)驗(yàn)室測定的同位素?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示沉積巖所產(chǎn)生的CO2碳通量很高(~730 mgC/m2/day)(圖3B-C)。隨后進(jìn)行的同位素測量表明,75%的通量來自于被硫酸溶解的碳酸鹽,其余25%來自于沉積有機(jī)物的氧化[2]。

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圖3A.使用美國PP SYSTEMS公司EGM-5便攜式CO2氣體分析儀和CO2監(jiān)測采樣系統(tǒng)[3]原位監(jiān)測的pCO2變化趨勢,持續(xù)時間約3小時。當(dāng)CO2在沉積巖內(nèi)取樣室內(nèi)積聚時,pCO2會增加,而當(dāng)CO2從取樣室內(nèi)被收集到分子篩采樣器中時,pCO2會急劇減少[2];疑珔^(qū)域?yàn)樘家绯鏊俾蕼y定窗口,用于計(jì)算原始pCO2記錄道中的CO2流量(請參見參考文獻(xiàn)[2]中的更多詳細(xì)信息)。B-C.計(jì)算出的監(jiān)測期間相對應(yīng)的CO2碳通量速率,平均約為730 mgC/m2/day。

基于這一新方法,Robert Hilton、Guillaume SouletROC-CO2團(tuán)隊(duì)正在其他不同巖石類型的地點(diǎn)部署這些取樣室,同時也在全年定期監(jiān)測CO2碳通量,以評估CO2碳通量的時間變異性?傊,這些數(shù)據(jù)將有助于提高我們更好的理解沉積巖的氧化風(fēng)化作用是如何影響地質(zhì)中碳循環(huán)的過去、現(xiàn)在和未來。


參考文獻(xiàn):

[1] Hilton, RG, et al., (2014) Geological respiration of a mountain belt revealed by the trace element rhenium. Earth and Planetary Science Letters 403:27-36.

[2]Soulet G, Hilton RG, et al. (2018) Technical note: In situ measurement of flux and isotopic composition of CO2 released during oxidative weathering of sedimentary rocks. Biogeosciences 15(13):4087–4102.
[3] Hardie SML, Garnett MHH, et al. (2005) Carbon dioxide capture using a zeolite molecular sieve sampling system for isotopic studies ( 13 C and  14 C) of respiration. Radiocarbon 47(3):441–451.

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