地球内部正在吞噬比想象中更多的碳
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阿拉斯加的巴甫洛夫火山。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心
地球内部正在吞噬比想象中更多的碳
来源 剑桥大学 2021 年 7 月 26 日
剑桥大学和新加坡南洋理工大学的科学家们发现，构造板块的慢速碰撞将更多的碳带入地球内部，这比以前想象的要多。
他们发现，在俯冲带——板块碰撞并潜入地球内部——被吸入地球内部的碳往往被锁定在深处，而不是以火山排放的形式重新浮出水面。
他们的研究结果发表在《自然通讯》上，表明在火山链下回收的碳中只有大约三分之一通过回收返回到地表，这与之前认为下降的大部分会重新上升的理论相反。
应对气候变化的解决方案之一是找到减少地球大气中 CO 2含量的方法。通过研究碳在地球深处的行为，地球深处拥有地球上大部分的碳，科学家们可以更好地了解碳在地球上的整个生命周期，以及它如何在大气、海洋和地表生命之间流动。
碳循环中最容易理解的部分是在地球表面或附近，但深层碳储存通过调节大气 CO 2水平在维持我们星球的宜居性方面发挥着关键作用。“我们目前对碳的表面储存库和它们之间的通量有相对较好的了解，但对地球内部碳储存知之甚少，这些碳储存在数百万年内循环碳，”主要作者 博士学位 剑桥大学地球科学系学生斯蒂芬 法桑说，他同时进行了这项研究。
有多种方式将碳释放回大气（作为 CO 2），但只有一种途径可以返回地球内部：通过板块俯冲。在这里，表面碳，例如以贝壳和微生物的形式，将大气中的 CO 2锁定在它们的壳中，被引导到地球内部。科学家们曾认为，这些碳中的大部分随后会通过火山排放以 CO 2 的形式返回大气。但这项新研究表明，在俯冲带吞没的岩石中发生的化学反应会捕获碳并将其送入地球内部更深处——阻止其中一些返回地球表面。
该团队在欧洲同步加速器辐射设施进行了一系列实验，“ESRF 拥有世界领先的设施和我们获得结果所需的专业知识，”合著者、新加坡南洋理工大学理学院院长西蒙·雷德芬 (Simon Redfern) 说。, “该设施可以在我们感兴趣的高压和高温条件下测量非常低浓度的这些金属。” 为了复制俯冲带的高压和高温，他们使用了加热的“金刚石砧”，通过将两个微小的金刚石砧压在样品上来实现极端压力。
这项工作支持了越来越多的证据，即碳酸盐岩与白垩具有相同的化学成分，当深入地幔时，其钙含量降低，镁含量更高。这种化学转变使碳酸盐的溶解度降低——这意味着它不会被吸入为火山提供的流体中。相反，大部分碳酸盐会沉入地幔深处，最终可能会变成钻石。
“在这个领域还有很多研究要做，”法桑说。“未来，我们的目标是通过在更宽的温度、压力范围和几种流体成分中研究碳酸盐溶解度来完善我们的估计。”
这些发现对于更广泛地了解碳酸盐形成在我们的气候系统中的作用也很重要。“我们的研究结果表明，这些矿物非常稳定，肯定可以将大气中的CO 2锁定为固体矿物形式，这可能导致负排放，”雷德芬说。该团队一直在研究使用类似的碳捕获方法，将大气中的 CO 2转移到岩石和海洋中。
“这些结果还将帮助我们更好地了解将碳锁定在固体地球中，脱离大气层的方法。如果我们能够以比大自然更快的速度加速这一过程，它可能会成为帮助解决气候危机的途径，”雷德芬说.
探索
视频：计算碳
更多信息：斯蒂芬 法桑 等，受碳酸盐溶解度限制的深碳循环，Nature Communications（2021 年）。期刊信息：自然通讯
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