2018年3月7日至8日,中科院地球环境研究所金章东研究员与澳大利亚国立大学于际民副教授应邀到中山大学海洋科学学院进行访问交流。

大气CO2含量在最近150年内,从~300 ppm增加到~400
ppm。这些增加的大气CO2是否为全球变暖的元凶,还存在着诸多争论。过去海-陆-气之间的碳收支是认识大气CO2在气候变化中所起作用的一把钥匙。约7万年前,即深海氧同位素阶段4和5的过渡期,是地球气候进入冰期的一个重要转折期。在约一万年的过渡期间,海平面下降了60多米,大气CO2降低了约30
ppm,相当于有~60 Gt(1Gt =
1*109吨)从大气中丢失了。那么,该过渡期大气中的碳到底去了哪里,至今仍旧是一个谜。

地表化学风化和剥蚀过程是表生地球化学、高原隆升和全球变化研究的关键主题之一,它制约着从陆地到海洋物质输移通量以及全球碳循环。当前备受关注的碳收支也是与这些过程紧密相关、存在较多争议和不确定性的科学问题。“构造隆升–化学风化–气候变化”假说的提出促使以青藏高原为代表的构造隆升带的化学风化和物理剥蚀过程以及河流化学,成为解决大气CO2变化、晚新生代全球变冷的一个争论焦点,各种证据和争论层出不穷。然而,相关的研究主要来自于海洋或陆地盆地的沉积地质记录,或短时间尺度河水化学,几乎没有来自高强度构造事件对地表化学风化和剥蚀作用的直接影响及其碳消耗的对比研究,其最主要的原因是这样的高强度事件具有偶然性、极低的发生频次。2008
年汶川7.9级特大地震核心地区岷江流域位于青藏高原东部高侵蚀速率的构造活跃带,一直是地质学研究的热点地区之一,存在大量地震前的相关数据,这为评价地质构造事件对地表风化-剥蚀以及碳收支的直接影响提供了一次非常珍贵的对比研究机会。

7日,首先到珠海校区进行参观,下午于际民副教授主讲题为“Greater North
Atlantic CO₂absorption during the Last Glacial
Maximum”学术讲座,金章东研究员主讲题为“海水Sr同位素-构造隆升-地表风化-碳循环:进展与挑战”的学术讲座,邹世春教授主持,我院20多名师生参加了讲座。

由澳大利亚国立大学于际民领导的、包括中国科学院地球环境研究所研究员金章东、蔡演军和博士张飞在内的国际研究团队,通过多个钻孔中底栖有孔虫B/Ca比值重建的深层海水碳酸根离子含量的变化,定量估算了MIS
4-5过渡期大西洋深部碳的储量。

中国科学院地球环境研究所金章东领导的研究团队,联合美国南加州大学Joshua
West、英国杜伦大学Robert Hilton、澳大利亚国立大学Jimin
Yu等人,通过对2008年汶川地震前后岷江河水化学的比较,揭示了地震对河水化学的影响幅度和范围。该研究团队自2009年下半年起,即在地震中心及上流的4个水文站连续收集季节性的河水、悬浮物样品。河水化学结果显示,地震之后岷江输运的总溶质通量系统增加,特别是,与地震之前数据相比,河水的Na*/Ca(Na*为经大气和蒸发盐校正的Na+离子含量)增加了近4倍,而87Sr/86Sr同位素比值增加了0.000644
±
0.000146。这些变化直接指示了汶川地震之后岷江河水中硅酸盐组分及其导致的碱度显著增加。由此,因硅酸盐组分引起的河水碱度变化计算得到的CO2消耗率增加了4.3
± 0.4倍。

于际民副教授以全球碳循环为背景,研究次末冰期大气二氧化碳减少,大气中的二氧化碳进入深海的方式途径。报告介绍了次末冰期的碳循环路径及提出了北大西洋作为碳沉降主要海域却出现碳量低的问题。随后他介绍了自己的研究模型及方法,即通过对比非生物过程,生物过程不加海气交换过程,生物过程加海气交换过程的大气海洋碳输送模型,从而突出了生物过程及海气交换过程的作用;另外,他还介绍了利用底栖有孔虫的硼钙比重构碳酸根离子浓度推测大西洋深处的碳库存转变过程,结合简化例子讲解了推算过程。最后得出了在次末冰期大西洋深处碳酸根浓度减少的量,这个估算在该领域具有先进性及重要意义。期间我院师生与于教授讨论了海洋碳缓冲及海水PH的本质等问题。

结果表明,在MIS 4-5过渡期,深层海水[CO32-]降低了~25
mol/kg,表明在一万年时间内大西洋深部海水形成了一个巨大的碳库,其碳储量增加了至少~50
Gt,其量级与同期大气丢失的~60
Gt碳基本相当。结合模拟结果,该研究进一步发现这些增加的碳与大西洋经向反转环流变浅作用密切相关。该研究对理解冰期-间冰期尺度碳循环机制及其对气候变化的影响具有重要意义,也有助于深入认识全球变暖情形下大气和海洋之间复杂的相互作用。

结合流域内地震峰值加速度和地震形成的滑坡密度与Na*/Ca和87Sr/86Sr同位素比值的关系,该研究认为汶川地震之后岷江河水中硅酸盐组分和碱度的增加可能主要与深部地下水的释放和包括滑坡在内的新鲜破碎岩石的快速淋滤风化有关。此类变化也存在于滑坡较少的地震区域,因此深部地下水的释放可能是地震后多年来河水中硅酸盐组分和碱度系统增加的主导因素。论文最后指出,如果其他大地震也会引起类似的变化,那么由地震引发的河流硅酸盐溶质输运的增加将把风化和碱度与构造活动直接联系起来。该研究为量化高强度构造事件对流域风化作用的直接影响及其碳消耗提供最直接、可靠的数据,为“构造–风化–气候变化”假说提供有力的证据。

金章东教授以海水锶同位素的演化规律及青藏高原隆升为背景,研究了晚新生代以来,青藏高原隆升地震构造地表侵蚀风化暴雨冲刷河流搬运等过程。报告介绍选择汶川作为区域的意义及研究区域的基本情况,随后介绍了自己研究设想,即利用锶同位素演化规律,解释地震构造产生的锶同位素变化;并以汶川地震前后沉积物变化为例子,阐述当前的研究。最后分享了实验样品的来之不易及做科学研究的挑战和乐趣。

该研究成果于2月8日以Article的形式在线发表在Nature Geoscience 上。

相关研究结果近日online发表在Geology
杂志上。本文是该研究团队自Controls on fluvial evacuation of sediment
from earthquake-triggered landslides
Geology, 2015, 43:
115-118)之后发表在Geology
上的第二篇有关汶川地震环境效应研究的论文。该研究得到科技部全球变化专项、中国和美国国家自然科学基金、英国皇家学会等共同资助。

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论文信息:Yu J M, Menviel L, Jin Z D, Thornalley D J R, Barker S, Marino
G, Rohling E J, Cai Y J, Zhang F, Wang X, Dai Y, Chen P, Broecker W S.
Sequestration of carbon in the deep Atlantic during the last
glaciation. Nature Geoscience
, 2016, doi: 10.1038/ngeo2657.

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