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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儲集層,可以與大氣交換CO2。巖石中的碳以有機物(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,這會導致沉積巖的風化并進一步使得:i)沉積有機物因氧化作用而釋放CO2;ii)硫化物礦物(如黃鐵礦)因氧化作用產生硫酸,最終溶解碳酸鹽礦物并釋放CO2。

換句話說,當沉積巖暴露在大氣中時,它們會釋放出CO2,這些CO2已經被封存了數百萬年。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的主要參與者,并在數千到數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[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,主要是由于我們缺乏對這種情況發生的速度以及流量在空間和時間上的變化的監測。沉積巖風化產生的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產物進行估算[1]。到目前為止還沒有直接測量沉積巖CO2碳通量的報道。

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為了原位測量沉積巖CO2碳通量,英國達勒姆大學地理系的Robert G. HiltonGuillaume Soulet以及英國東基爾布萊德放射性碳設施NERC自然環境研究委員會Mark H. Garnett設計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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該團隊設計了一種全新的取樣室[2],與參考文獻[3]中設計的分子篩取樣系統(MS3)進行連接,并使用來自美國PP SYSTEMSEGM-5便攜式CO2氣體分析儀進行原位測定。該取樣室直接鉆入正在風化的巖石表面,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(MS3)。

設計的取樣室尺寸通常深40cm,直徑3cm,使取樣室的內部面積體積比較高,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監測采樣系統[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)

取樣氣室是非常穩定可靠的,可以在野外停留數月或數年,以便監測季節性循環中CO2流出的變化。該設計利用MS3系統[3]的優點,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。這是一個關鍵的創新點,因為放射性碳(14C)和穩定碳(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:沉積有機物氧化產生的CO2通量和硫酸溶解碳酸鹽產生的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通量數據及于實驗室測定的同位素數據。數據顯示沉積巖所產生的CO2碳通量很高(~730 mgC/m2/day)(圖3B-C)。隨后進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監測采樣系統[3]原位監測的pCO2變化趨勢,持續時間約3小時。當CO2在沉積巖內取樣室內積聚時,pCO2會增加,而當CO2從取樣室內被收集到分子篩采樣器中時,pCO2會急劇減少[2];疑珔^域為碳溢出速率測定窗口,用于計算原始pCO2記錄道中的CO2流量(請參見參考文獻[2]中的更多詳細信息)。B-C.計算出的監測期間相對應的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團隊正在其他不同巖石類型的地點部署這些取樣室,同時也在全年定期監測CO2碳通量,以評估CO2碳通量的時間變異性?傊,這些數據將有助于提高我們更好的理解沉積巖的氧化風化作用是如何影響地質中碳循環的過去、現在和未來。


參考文獻:

[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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