碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2 沉降的贡献

精确预测大气CO2 的未来变化对于预测全球气候变化是至关重要的。为此,需要确定大气CO2 的源和汇及其随时间的变化。本文作者利用已发表和未发表的资料对一些实例进行了分析: 首先讨论了碳酸盐岩岩溶作用(包括碳酸盐溶解及再沉积的共同影响)对土壤CO2和径流变化的敏感性;接着利用水化学- 流量方法和碳酸盐岩石片试验方法得出了我国和世界碳酸盐岩地区因碳酸盐岩岩溶作用从大气中吸收的净CO2 总量,即碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2 沉降的贡献。它们分别是: 中国每年1800万tC,整个世界岩溶地区1. 1亿tC;最后,文章据DBL理论模型计算得出世界碳酸盐岩地区碳酸盐岩溶解吸收CO2 一项产生的大气CO2 沉降量为每年4. 1亿tC,继而得出全世界碳酸盐岩地区因碳酸盐再沉积而释放CO2 产生的大气CO2 源项为每年3亿tC。      

青海湖的无机碳收支

在全球碳循环中,包括湖泊在内的内陆水体起着十分重要的作用,日益受到关注.面对我国湖泊碳收支状况所知甚少的现状,通过青海湖这一典型湖泊现代溶解无机碳(DIC)输入和沉积物组成的调查和分析,初步评价了青海湖无机碳收支的平衡及其可能控制因素.结果表明,受碳酸盐风化制约,青海湖流域的河水、大气降水和地下水的离子组成均以Ca2+和HCO-3占主导.在占主要贡献的河水中,布哈河(流域最大河流)贡献了其中一半的DIC.与只有约4%左右贡献的地下水相比,大气降水输入了近30%的DIC.近50年来,湖泊沉积物的碳累积速率主要取决于布哈河雨季输入的DIC通量变化.目前处于碳酸盐过饱和的青海湖湖水,将由碳酸盐风化带入湖泊的DIC通过自生碳酸盐沉淀迅速转入沉积物,对大气CO2没有直接的消耗.然而,青海湖湖水的碳并不处在一个稳定的状态,碳酸盐过饱和的湖水则很可能作为大气CO2的源,HCO-3中的碳将随着湖泊水位的下降和温度的升高返回到大气中.     

我国南方岩溶区和北方黄土区的大气CO2效应

我国南方岩溶区与北方黄土区都是巨大的碳库。碳酸盐的溶蚀及再结晶是两个碳库与大气ＣＯ^２交换的重要过程。碳的区域平衡是评价化学风化消耗或逸散ＣＯ^２的基础。岩溶区与黄土区在地球化学风化的环境背景、溶蚀过程、产物运移和归宿等差异很大。黄土区化学风化消耗大气ＣＯ^２通量较岩溶区小。目前评价两类地区土壤与大气ＣＯ^２的源汇关系尚不成熟,需要定量认识土壤ＣＯ^２与下伏碳酸盐岩溶蚀或与下伏黄土次生碳酸盐化作用。岩溶区湖泊沉积物中有机质分解产生的ＨＣＯ^３－制约外源及内生碳酸盐溶解和自生碳酸盐形成。     

基于碳酸盐岩风化的碳源分析及土壤的影响作用机制

在CO2 - H2O- 岩石系统中由于碳酸盐岩的可溶性,使其回收土壤/大气CO2 的通量比硅酸盐岩更大。通过大陆河流湖泊HCO-3 来源和海洋碳来源两种计算方式得出,碳酸盐岩溶解回收大气CO2 的量是其它岩类的3倍以上。与同纬度地带性土壤相比,岩溶地区土壤通过促进土下碳酸盐岩的溶解与固碳作用对大气CO2 产生更为强烈的汇效应: 土壤的覆盖使土下碳酸盐岩的溶蚀速率平均提高4.35倍,从而加快了对土壤/大气CO2 的回收速率;富钙的土壤地球化学背景使石灰土富含胡敏酸钙,胡敏酸在土壤中的存留时间长达780～ 3 000年,是其它类型土壤有机质如富里酸的4～ 5倍,稳定的胡敏酸钙使土壤有机碳稳定性增加、周转周期延长而得以累积,固碳作用将减少土壤CO2 向大气的排放。石灰土的平均有机质含量比同纬度红壤、黄壤分别提高了44%、33% ,固碳作用十分明显。      

表层岩溶系统碳迁移路径及其土被效应探讨

为了弄清楚表层岩溶系统碳汇机理,有必要对该系统中气、液和固三相不平衡体系中碳的迁移途径进行研究。2010年,在板寨地下河流域布置了8个碳稳定同位素分析测试点。通过碳稳定同位素示踪剂及空气CO2分压对比,发现森林区岩溶水和自由大气中大部分碳是来自土壤空气。在表层岩溶系统碳汇过程中整个碳迁移路径可分为4个环节,依次为(1)植被光合作用吸收空气CO2;(2)土壤根系的呼吸作用及腐殖质分解向土壤释放CO2;(3)地下水循环岩溶作用将气态CO2转换成液态HCO3-离子;(4)地下水中的碳随水流向河流及海洋。在整个碳汇过程中,森林和土壤起到了“加压泵”的作用,大大提高了大气CO2向土壤空气CO2转换过程中的CO2分压,从而显著地提高了岩溶的作用速率。      

我国南方岩溶区和北方黄土区的大气CO2效应

我国南方岩溶区与北方黄土区都是巨大的碳库。碳酸盐的溶蚀及再结晶是两个碳库与大气ＣＯ２交换的重要过程;碳的区域平衡是评价化学风化消耗或逸散ＣＯ２的基础,岩溶区与黄土区在地球化学风化的环境背景。溶蚀过程,产物运移和归宿等差异很大。黄土区化学风化消耗大气ＣＯ２通量较岩溶区小。目前评价两类地区土壤与大气ＣＯ２的源汇关系尚不成熟,需要定量认识土壤ＣＯ２与下伏碳酸盐岩溶蚀或与下伏黄土次生碳酸盐化作用。岩溶区湖     

国土资源部岩溶动力学开放研究实验室“九五”主要科研成果简介

“九五”期间，国土资源部岩溶动力学开放研究实验室以国际地质对比计划IGCP 379“岩溶作用与碳循环”、IGCP448“全球岩溶生态系统对比”、国家基金重点项目“我国典型岩溶动力系统与环境的相互作用与演变”和国土资源部重点科技项目“我国典型岩溶环境系统的运动规律及其对全球变化的影响”等为依托，在国际岩溶研究前沿进行探索的同时，研究工作紧密结合国家和社会需求，探讨用新的科技成果解决国民经济、新一轮国土资源大调查中的科技难题，为国家西部大开发中“推进岩溶地区石漠化综合治理”的国家目标开拓新思路。经初步统计，“九五”期间在各种核心刊物共发表论文23篇，SCI收录论文11篇，在其它刊物发表论文57篇。在国际岩溶会议作主旨特邀报告4次，发表论文15篇，出版专著3部。主要科研成果如下: 1 重要进展 进一步揭示了浅部岩溶动力系统在生物作用参与下积极参与全球碳循环，并用石灰岩溶蚀试片法和水化学法，结合GIS技术计算出我国大陆碳酸盐岩岩溶作用由大气回收CO2的量为1．774×1013g／a。根据西安附近辋川河流域的定位观测资料，计算了黄土地区碳酸盐溶蚀从大气回收CO2的量为21．8t／km2.a。 考虑到全球广泛分布着碳酸盐岩及水泥的大量使用，这两个过程均是大气CO2的两个重要的汇。基于野外观测数据，利用不同的方法评价后得出，水泥碳酸盐化消耗大气CO2的量级也在每年1亿吨碳左右。 通过对我国西南典型深部岩溶系统内川西鲜水河断裂带的10个温泉的CO2释放研究，年CO2释放量在400t以上，其中幔源的占60％左右。 通过森林区表层岩溶泉与裸露石山区表层岩溶泉对比研究，认识到只有提高表层岩溶带的森林覆盖率才能增加表层岩溶水的调蓄功能，使表层岩溶泉水常流不断。充分发挥和利用表层岩溶带特有的水循环作用，解决岩溶地区800万人饮水问题。 拓宽了研究古气候环境地域，并向新老两方面延长其环境重建的时间序列。选定了由云贵到西藏高原的1100m、2200m和3600m三个有正在沉积或大于20万年的石笋的岩溶台面的洞穴作为研究基地，并根据洞内外岩溶沉积建造相关沉积的物质依据和U系测年资料,初步确立了岩溶台面的演变、洞穴形成和该区岩溶水系变迁具伴生性、呈阶段性协调发展。 用贵州荔波县董哥洞一个长2．1m的石笋，通过TIMS铀系法测年及详细同位素分析，重建了距今9．8万年至14．5万年之间南方古气候变化过程，揭示了氧同位素6阶段及5e、5d、5c各阶段的古气候变化事件。     

浙江省灰岩固碳能力初步研究

通过岩溶作用碳循环原理的阐释,依据浙江省碳酸盐岩岩石参数,估算了浙江省碳酸盐岩库,计算结果表明全省碳储量为5.45×10~(12)t;岩溶作用产生的的碳汇量较大,全省碳酸盐岩出露区每年从大气中回收的CO_2为4.55～13.55×10~(10)g/a,固碳量为1.24～3.69×10~4t/a。在此基础上,提出了加强地质岩溶碳库调查研究的建议。     

岩溶水系统对大气CO2的潜在影响——基于热力学的研究

认识不同条件下岩溶水释放或吸收CO2的反应过程是研究碳酸盐岩对碳循环响应的前提和基础。本文从吉布斯自由能的热力学原理出发,对全球不同岩溶地区162组岩溶水(河水、溪水、湖水等)进行了热力学研究,结果显示:1)河水、溪水、湖水和洞穴滴水等岩溶水所处的环境因方解石矿物沉积而释放CO2成为大气CO2一个潜在的源;2)地下水在所处的环境下由于方解石的溶解而吸收CO2,成为大气CO2一个潜在的汇;3)少数出露点的泉水所处的环境既可发生方解石的溶解而吸收CO2,成为大气CO2的潜在汇,也可发生方解石的沉积而释放CO2,成为大气CO2的潜在源;4)在洪水期,泉水的水化学特征变化并未导致对大气CO2潜在贡献在源汇之间的跨跃性转变。162组岩溶水数据中,所有河水与溪水皆无一例外地在释放CO2。结果表明,从吉布斯自由能的热力学原理出发,研究岩溶水系统对大气CO2潜在源汇的贡献,没有条件约束,是一种较好的途径。     

硫酸型酸雨参与碳酸盐岩溶蚀的研究进展

碳酸盐岩的H2CO3溶蚀产生岩溶碳汇,占整个岩石风化碳汇的 94%。西南岩溶区硫酸型酸雨严重,硫酸型酸雨广泛参与碳酸盐岩的溶蚀。H2SO4参与的碳酸盐岩风化是一个大气CO2净释放过程,具有减汇作用巨大。另一方面,岩溶区石灰土壤和地下水具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有巨大的缓冲作用,大气酸沉降在碳酸盐岩地区可能并不会造成地下水的HCO3-和pH降低;相反,较高浓度的SO42-所产生的盐效应和SO2-4与各种阳离子形成的离子对会增大方解石、白云石溶解度,可增强H2CO3对碳酸盐的溶蚀,这可能会使岩溶作用产生更大的碳汇效应。因此,硫酸型酸雨参与碳酸盐岩风化的减汇效应不仅可能被高估,硫酸型酸雨还可能增强碳酸盐岩的H2CO3溶蚀,具有增加岩溶碳汇效应的作用。应结合石灰土壤对大气酸沉降的缓冲容量和阈值及大气酸沉降的H+与土壤中盐基离子的交换量,并综合考虑盐效应、离子对作用、同离子效应,客观评价硫酸型酸雨流经石灰土壤层后对碳酸盐岩溶蚀吸收大气/土壤CO2的影响      

古大气CO2浓度重建方法技术研究现状

温室气候引起的全球气候变暖越来越引起人们的关注,大气中不断上升的CO2浓度被认为是导致气候变暖的主要因素.地史时期大气CO2浓度变化与温室气候可能存在类似的关系,可提供参考,因而古大气CO2浓度重建是首要任务.总结近年来古大气CO2浓度重建的进展,重点介绍GEOCARB模型模拟、植物叶片气孔参数和同位素指针的方法和技术.GEOCARB模型是反映全球古大气CO2浓度长期变化的碳相关模型;气孔参数方法是使用气孔比例来估计古大气CO2浓度;同位素指针包括成壤碳酸盐、浮游植物有机质生物标记物、钙质浮游有孔虫、古苔藓植物等,其中成壤碳酸盐碳同位素方法使用最为广泛.国内只是在叶片参数研究方面有一些进展,古大气CO2浓度重建工作任重而道远.     

半干旱岩溶区土壤次生碳酸盐比例及对岩溶碳汇计算的影响

定量评价半干旱岩溶区土壤次生碳酸盐比例和来源有助于认识土壤系统影响岩溶作用的机理。选取山西晋中盆地西南,吕梁山东侧的半干旱岩溶区马跑神泉小流域为研究对象,通过对林地、退耕地、灌丛地土壤剖面进行分层取样并测定碳酸盐含量及其δ13C、CO2浓度及其δ13C值,分析其随深度的变化规律和控制因素;并结合研究区碳酸盐岩的δ13C值计算3个剖面各层土壤次生碳酸盐所占比例。研究结果表明:3个土壤剖面的碳酸盐含量、CO2浓度在0~50 cm土层随深度增加而增加,在50~70 cm土层随深度增加而减少;土壤碳酸盐δ13C值、δ13CCO2值在0~50 cm土层随深度增加而偏负,在50~70 cm土层随深度增加而偏重;土壤碳酸盐含量及其δ13C值主要受次生碳酸盐比例控制,而土壤CO2及其δ13CCO2值在上层主要受大气CO2和土壤有机质分解生成的CO2共同影响,下层还受土-岩界面岩溶作用过程制约;退耕地、林地、灌丛剖面次生碳酸盐所占比例的均值分别为52%、42%和32%,证实北方半干旱岩溶区土壤中存在原生碳酸盐向次生碳酸盐转化过程。      

二氧化碳——影响地球历史的关键物质

白垩纪全球温暖事件可能由于地球内部的超热柱引起,它在大气中释放了大量的二氧化碳。纽约大学的Keldeira和Michael Rampino应用全球生物地球化学碳-链模式来计算大量CO_2注入大气和海洋系统中所引起的气侯效应。所研究的CO_2主要来自大洋中脊处地幔脱气和俯冲带沉积物的脱碳酸盐化变质作用形成的气体。     

海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展

综述了近年来天然气水合物分解与甲烷归宿等方面的研究成果。天然气水合物的汇聚与地质构造或地层圈闭有关，其溶解受物质转换控制，分解则受热转换控制。水合物释放甲烷的运移方式包括分散式、中心式和大规模排放式。缺氧氧化和耗氧氧化是甲烷在海洋环境中的2种主要转化方式。天然气水合物释放甲烷的最终归宿主要为：①重新形成天然气水合物；②形成化能自养生物群落和沉淀出碳酸盐沉积；③与氧发生氧化后转变为CO2；④直接排放进入到大气中。沉积物中的微构造、化能自养生物群落、自生碳酸盐矿物及其碳氧同位素组成是水合物释放事件的指纹记录。     

贵州岩溶沉积物稀土元素地球化学研究

本文对贵州岩溶沉积物稀土元素地球化学研究结果表明：稀土总量变化范围很大，RE2O3（1～434.39）×10－6。RE2O3随Al2O3含量增高而增高，随CaCO3含量增高而减少，相关系数分别为＋0．99，－0．98。低微含量的岩溶沉积物与碳酸盐母岩的稀土分布模式基本相似，高含量的岩溶沉积物稀土分布趋向于页岩模式。稀土解析实验和吸附实验表明，在岩溶化学沉积物和母岩中稀土主要以离子吸附态存在，岩溶碎屑沉积物中稀土主要以类质同象进入粘土矿物和副矿物格架中。稀土富集系数Kk值计算表明，在碳酸盐岩及其岩溶化学沉积物的成岩过程中不存在稀土富集，岩溶碎屑粘土沉积物中则存在稀土富集。对岩溶化学沉积物──碳酸盐结核的中心区、过渡带、边缘带及外围壳状粘土中稀土元素解析研究表明，随着结核的生长，活动性稀土组成发生变化，向轻、中稀土占优势的方向移动。     

贵州乌江渡水电站帷幕灌浆廊道中的钙华及其成因

基于水化学和钙华、水碳稳定同位素特征的分析,作者发现贵州乌江渡水电站帷幕灌浆廊道中的钙华可分为两大类:一类与人类活动有关,即是帷幕或混凝土中的Ｃａ（ＯＨ）＿２溶解、迁移并吸收空气中的ＣＯ＿２产生碳酸钙沉积的结果;另一类属于天然条件下岩溶作用的产物,即由于地下水中的ＣＯ＿２,逸出发生碳酸钙沉积的结果。      

碳酸酐酶对碳酸盐岩溶解的催化作用及其在大气CO2沉降中的意义

CO2向H^ 和HCO3^－的转换是一相对慢速过程。因此，其动力学可能决定碳酸盐岩的溶解速率。在灰岩和白云岩的溶解实验中，使用了自然界普遍存在的碳酸酐酶（CA）来催化这一CO2转换反应，结果发现，对灰岩而言，加入CA后，其溶解速率在高CO2分层时可增加10倍，而对白云岩，其溶解速率增加主要在低CO2分压时，可达3倍左右。这一发现表明，化学风化（包括碳酸盐岩溶解和硅酸盐风化）作用在大气CO2沉降和全球碳循环里的所谓丢失的汇中的重要性需要重新评价。毫无疑问，已往的研究由于未认识到CA在风化中的催化作用，因此低估了风化作用的速率，同时也低估了风化作用对大气CO2沉降的贡献。另一方面，也表明了研究自然界不同水体中CA分布及其活度和CA在自然界风化作用中的作用的必要性。     

对《中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算》一文的商榷

对2011年《中国岩溶》第4期文章《中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算》及其引用和认可的两个重要碳汇数据,就碳汇测定方法原理、参数取值、计算公式和计算结果做了一些讨论。认为,①由于参数取值不妥等原因,北方区计算结果可能偏大3倍以上;因运算有误以及径流模数评估不当,埋藏区岩溶碳汇计算结果可能偏大200多倍;②由于方法原理的固有缺欠,该文所引用的、用定点磨片溶蚀法取得的全球岩溶碳汇通量(6.08×108tC/a)可能偏大4倍;③所引用数据的原始计算中新提出的主要水循环碳汇项,由于考虑其地球化学产生机制过于简单,各项评估结果都可能偏大20倍以上;结果使给出的全球水循环碳汇净通量(0.6433GtC/a)偏大2倍多,实际上,比用化学通量法测定的全球碳酸盐风化碳汇值(0.2433±0.05GtC/a)大不了很多;水生光合碳汇截留量可能不会很大;④使用的化学径流碳汇计算公式,虽是当前国内外通用公式,但因属于只考虑大气/土壤CO2溶蚀的简化公式,需要对非大气/土壤CO2溶蚀做进一步校正;校正后全球岩溶碳汇通量将再减少35%左右;⑤综合分析现有测定结果显示,在有世界大河化学径流记录以来的100多年里,全球岩溶碳汇通量平均大概不会超过0.1±0.02GtC/a太多;由于其基数太低,即使进行人为干预,也只能是一个局部或附属的大气CO2汇(如附属于局部地区森林生长量的成倍增长);如果再考虑被碳酸盐风化作用临时吸收的大气CO2,绝大部分最终要因碳酸盐矿物再沉淀而重返大气,全球岩溶碳汇净通量可能比0.1±0.02GtC/a还要小1个数量级,即使在现今大气碳循环被严重扰动的条件下,似也不会成为一种重要的遗漏碳汇。      

碳酸盐化榴辉岩的岩石学研究进展

碳循环进入地幔中主要是通过大洋板块俯冲作用完成的,再通过火山去气作用释放出来,以维持大气中CO2的平衡。洋壳主要由玄武岩组成,一般经热液改造后的洋壳含有一定数量的碳酸盐(质量分数大约为3％),而这些以脉或角砾形式存在的碳酸盐是碳沉淀的一个巨大储库。这些碳酸盐化的玄武岩在俯冲带背景下经历高压变质作用,相应地形成了碳酸盐化榴辉岩。碳酸盐化榴辉岩的部分熔融形成的熔体和气体对于弧岩浆的生成、CO2去气都有非常重要的作用,从而对整个碳循环研究具有重要的意义。文中较全面地总结了近年来,在不同的超高压变质地区发现的碳酸盐化榴辉岩的岩石学和野外产状特征,对比经热液改造的玄武岩 碳酸盐体系的高温高压岩石学研究取得的进展,明确了在俯冲带变质过程中碳酸盐与榴辉岩质硅酸盐体系是如何发生变化的,并对于NCFMASH+CO2体系的热力学相平衡计算的研究进展展开了讨论,对于探讨碳的深部循环过程具有重要意义。     

水泥生产碳排放的产生环节及减排措施

在工业生产过程中,CO2的大量排放被认为是导致气候变暖的重要因素之一,因此控制和减少CO2排放已成为人类社会面临的紧迫任务。水泥工业是人为排放CO2的重要来源之一,这就意味着水泥工业会在一种不断增加的管理压力下减少CO2的排放量,以应对全球变暖的现状。水泥生产过程中CO2的直接排放和间接排放两大排放途径,直接排放主要包括碳酸盐分解,烧成燃料/非烧成燃料的燃烧。间接排放主要是指电力消耗所产生的CO2。针对碳的排放环节,有效可行的CO2减排措施,例如原料、燃料的替代,熟料化学成分的改变,能源效率的提高等,对我国水泥工业的碳减排提出一些建议和看法。