火山地震活动是气候变化的动力：构造活动参与碳循环

                     杨学祥，杨冬红（吉林大学）

世界最深海沟发现大量碳 能调节全球气候

据英国广播公司1月17日报道，一个国际科研团队通过对世界最深海沟马里亚纳海沟的考察，发现那里储存着大量碳，这意味着海沟在调节地球环境方面的作用比人们之前认识的更为重要。

　　南丹麦大学龙尼•格鲁德教授与苏格兰海洋科学协会负责此次科学考察，该研究团队包括来自日本、中国香港和德国的科学家。格鲁德教授说：“这是我们首次成功把测量碳含量的精密仪器下潜到这个深度。”

　　格鲁德教授表示，“我们对海沟里沉淀的有机物含量很感兴趣，这些物质来自海洋上层的藻类和鱼类，当它们沉淀到海底后，不是被细菌吃掉就是被分解 或是掩埋了。通过研究这个过程，我们可以了解海洋里氧气和二氧化碳的含量，从而明白海洋在全球碳循环系统里能发挥多大的作用”。

　　虽然人类对海洋的其它地区进行过类似的研究，比如说一些深达4.6到5.5公里的海底平原，但是，深海海沟在全球碳循环过程中起到什么作用基本还是个谜。格鲁德教授称：“这些海沟虽然只占海洋面积的2%，但我们认为它的重要性与这个比例是不一致的，因为与海洋的其它地区比较，海沟里沉淀了更多的有机物质。”

　　而考察得到的原始数据也证实了格鲁德教授的想法，他说：“海沟就像是个沉淀物收集器，这里的活动也很活跃，被海沟里细菌转化的碳的量比6000 米深的海底平原上的碳含量高。这说明了海沟里碳含量比我们此前认为的高，我们以前没意识到深海里还有这么一个二氧化碳收集槽。”

科学家们下一步的想法是把研究结果量化，算出深海海沟里的碳含量到底比其它海域多出多少，而细菌转化的碳的量具体是多少，这些数据能帮助科研人员更好了解深海海沟在调节气候方面的作用。

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2011年日本地震将100万吨碳埋进地球最深海沟

2011年发生日本东北海岸的9.0级大地震。自1900年记录以来，它被认为全球第四大地震。尽管已时隔很多年，但它对日本的影响至今仍未消除，对全球也造成不可估量影响。今天一项新研究表明，100万吨碳因此而被埋进地球最深海沟中。

图1 日本311地震和马里亚纳海沟

美国宇航局在2011年一份报告中称，日本大地震不但将日本主岛向东推进2.4米，还将地球地轴向外推了25厘米，并造成地球白天时间缩短了百万分之一秒。事实上，对全球影响不仅仅如此，今天来自奥地利因斯布鲁克大学的地质学家Arata Kioka说，地震部分影响可能是卫星无法观测到的，需要实地测量。

2月7日，发表在《科学》杂志上一项新研究报道，Kioka和他同事对日本海沟最深点8000米进行科学考察和研究，以确定2011年大地震和随后余震中有多少有机物倾倒海沟中。研究小组发现大约有100万吨碳被埋进最深海沟底部。

图2 马里亚纳海沟和日本311地震2

Kioka说，这远远超出我们预期。同时这也证明了地震能造成大量碳迁移，这在全球碳循环中扮演着重要角色。什么是全球碳循环呢？全球碳循环是指碳在大气、海洋和地球上所有生物中缓慢的自然的循环过程。

在2012年至2016年期间，Kioka和他同事6次到日本海沟巡航。在航行过程中，研究使用了两种不同的声纳系统，绘制了一幅海沟深度高分辨率地图。这使得他们能够估计随着时间的推移，有多少新沉淀物被添加到海沟地底下。

研究小组从海沟底部挖出了几个长达10米的沉积物岩心。每一个岩心看起来像是地质层蛋糕，展示了来自陆地和海洋各种各样物质是如何堆积在海沟底部的。2011年大地震让几米深的沉淀物被倾倒到沟渠中。研究小组分析了这些沉积物样本，计算出每个岩心样本的碳含量。他们估计，整个沟渠所增加碳总量高达100万吨。

相比之下，喜马拉雅山每年通过恒河和雅鲁藏布江向海洋输送碳约为400万吨。其中四分之一的碳最终会在日本海沟中消失。据了解，人类对全球碳循环研究一直处于缺失状态。碳循环研究可能会填补数百年或数千年前的一些历史细节。2011年日本地震对全球影响仍然在研究之中。

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科学家认为深海海沟也是一个重要的碳汇

最近研究表明，人造污染物富集最深海沟，其浓度甚至超过沿海及河口地区。

英国阿伯丁大学深海研究人员Alan Jamieson表示：“我们通常都会认为深海海沟是遥远且原始的，那里没有人类的痕迹。”然而Jamieson和他的同事发现，人造有机污染物以很高的水平存在于他们在两个深海海沟中采集的一种与虾类似的甲壳纲动物——端足目动物体内。Jamieson在6月8日于中国上海召开的一次深海探测会议上报告了这一研究结果。

美国檀香山市夏威夷大学海洋生态学家Jeffrey Drazen说：“这真是令人惊讶的发现，有机污染物在如此深的海洋中依然有这么高的浓度。”

这项研究发现，来自马里亚纳海沟的端足目动物体内的PCBs浓度非常高，是克马德克海沟浓度的15倍。Jamieson说：“这甚至高于中国两条污染最严重的河流河口的水平。”

与此形成对比的是，克马德克海沟端足目动物体内的PBDEs浓度是马里亚纳海沟的5倍，这甚至高于新西兰北岛沿海的水平。

Jamieson表示：“最关键的信息是，当你向海洋中倾倒垃圾后，它们最终会下沉。当污染物掉到海沟中后，它们哪儿也不会去。因此它们只会在那里积聚。”他说，最后，海沟中的污染物水平会比河口还要高，而后者的污染物则被不断冲刷进入开放水域中。

Bartlett说，科学家认为深海海沟也是一个重要的碳汇，在调节气候的过程中扮演着重要角色。从某种角度来说，这是因为在海沟中，当一个地质构造板块插入另一个板块之下时，碳便被推向了地球的内部。海沟中同时还充满了大量微生物，能够将含碳化合物转化成不容易释放二氧化碳的形式。

Bartlett说：“如果这些污染物对微生物活动造成不利影响，我想知道它对碳循环将意味着什么。”（赵熙熙）

《中国科学报》 (2016-06-23 第2版 国际)

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/6/349378.shtm

环太平洋海沟与地震带、火山带的一致性

环太平洋海沟与环太平洋地震带、环太平洋火山带完全吻合，这在图3中可以看的很清楚。如果说海沟是碳汇，那么，这些碳最终流向哪里？难道火山喷发是碳的出口？

图3 环太平洋海沟与环太平洋地震带和火山带的一致性

火山喷发导致大气温室气体浓度上升

根据现代火山喷溢而出的熔岩得知，硅酸盐是岩浆的主要成分。其中二氧化硅的含量在80—30%之间；金属氧化物如三氧化二铝、三氧化二铁、氧化铁、氧化锰、氧化钙、氧化钠等占20—60%。其它如重金属、有色金属、稀有金属及放射性元素等，它们的总量不超过5%。此外，岩浆中还含有一些挥发性组分，其中主要是水蒸气、二氧化碳、硫化氢、氟、卤等。

在岩浆从上地幔或地壳深处沿着一定的通道上升到地壳形成侵入岩或喷出到地表形成喷出岩的过程中，由于温度、压力等物理化学条件的改变，岩浆的性质、化学成分、矿物成分也随之不断地变化，因此，在自然界中形成的岩浆岩是多种多样、千变万化的，如基性岩、中性岩、酸性岩，还有碱性岩、碳酸盐岩等岩类，也充分说明了岩浆成分的复杂多样性。

火山岩浆的高温导致碳酸盐分解出二氧化碳，是（1）式的正向反应。所以，伴随火山喷发，大气中温室气体的浓度也会越来越高。

在一个大气压下下将碳酸钙加热到900℃会分解成生石灰和二氧化碳：

CaCO₃ ＝ CaO + CO₂   (反应条件是高温煅烧，是可逆反应)    （1）

岩浆中大部分成分是硅酸钙。硅酸钙是白色粉末。无味。无毒。溶于强酸。不溶于水、醇及碱，多为针状结晶。在加热至680～700℃时脱出结晶水，结晶外形无变化。由硅酸和生石灰及水按一定比例混合后进行水热反应生成硅酸钙微晶料浆，经过滤，洗涤，干燥制得。

硅酸钙由碳酸钙和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

生产方法：

1、由氧化钙（有碳酸钙分解而得）和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

2、将纯石英与碳酸钙按CaO/SiO₂为1∶1（摩尔比）混合，放入铂坩埚中于1500℃以上充分熔融后，将铂坩埚在水中急冷。将制得的偏硅酸钙玻璃体放入铂坩埚中，加热至800～1000℃，即开始结晶而生成β-CaSiO₃。

这一过程在火山喷发前的岩浆生成时可以发生。

CaO + SiO₂  ＝ CaSiO₃    （高温煅烧）         （2）

（1）式加（4）式的反应结果是，火山岩浆中含有大量的CaSiO₃和CO₂。合成式为：

CaCO₃ + SiO₂  ＝ CaSiO₃ + CO₂                 （3）

这一过程也可以在火山形成和喷发中一一发生。

这是火山喷发物中二氧化碳的一个来源。另一个来源就是海沟收集的碳，通过燃烧而形成的二氧化碳，它将植物光合作用收集到的太阳能量，转变为火山喷发的能量，完成全球的碳循环。

这就是说，火山喷发的能量不仅来自地下热能，而且来自太阳能。碳循环的路径揭示了这一重要发现。

酸雨和海洋酸性增大启动温室气体减少的逆反应过程

伴随大气中CO₂浓度的增大，降水带给地面的是酸雨，流入大海的也是碳酸水溶液，增大了海洋的酸性。（1）的逆反应就是将CO₂转变为CaCO₃，形成巨厚的碳酸钙地层，这是温室气体减少，大冰期即将到来的前兆。

特别是，硅酸酸性小于碳酸，火山喷发出的硅酸钙CaSiO₃ 与碳酸反应，生成硅酸和碳酸钙，将CO₂储存在岩石中。大自然自有清除大气中温室气体的方法，是人工方法难以相比的。

CaSiO₃ + CO₂ + H₂O ＝ CaCO₃ + H₂SiO₃                     (4)

由此可见，酸雨和海洋酸化是大气中温室气体浓度减少的前兆，是气候变冷和大冰期到来的前兆，是气候逆转的必经过程。在这一过程中，温室气体不仅贮存在岩石中形成碳酸钙，而且流进海洋，储存大海中。海洋酸化也是必经过程。这是（5）式和（6）式化学反应的结果。混有CaCO₃的水通入过量二氧化碳，会生成碳酸氢钙溶液。碳酸钙和碳酸溶液（雨水）反应，生成碳酸氢钙。往变浑浊的石灰水中通入CO₂，沉淀消失。这些现象的原理是：

CaCO₃ + H₂CO₃ ＝ Ca(HCO₃)₂               （5）

或

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ＝ Ca(HCO₃)₂            （6）

碳酸氢钙可溶于海水，是海洋贮存碳的最主要方式。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1168398.html

重要结论

地球生命的出现和存在，在于地球气候的冷暖循环，其轨迹是碳循环，其动力是构造活动，其能量来自地下热能和太阳能量。

这就是说，火山喷发的能量不仅来自地下热能，而且来自太阳能。碳循环的路径揭示了这一重要发现。就此而论，天然气爆炸形成四川汶川大地震的学说也在其列。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1080011.html

光合作用扑捉了碳，地震埋藏了碳，火山释放了碳，酸雨和酸化海水将碳固化在岩石中和海洋中，碳也引发了地震火山活动。相辅相成，循环不止。

岩石和海洋是碳的最大储库，地震和火山是碳的传输动力和手段，由此而发生的各种灾害为人类营造了适宜的生活环境。在一个相对静止的地球，例如雪球地球，人类根本无法生存。

参考文献

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