这项由牛津大学领导的新研究颠覆了传统观点，即自然岩石风化作为二氧化碳碳汇，而是表明其也可以是一个巨大的二氧化碳源，其排放规模可与全球火山相媲美。这一研究成果于2023年10月4日发表在最新一期《自然》杂志上，对于气候变化情景的建模具有重要意义。

    这项研究揭示了岩石风化可能是一个重要的二氧化碳源，其规模竟然可以与全球所有火山排放的二氧化碳相匹敌。这一发现对于未来碳收支预测具有至关重要的洞察。传统观点认为，自然岩石风化作为一个二氧化碳碳汇可以将大气中的二氧化碳清除。然而，这项新研究表明，岩石风化也可以是一个庞大的二氧化碳源，其排放规模堪比火山。这一发现对于气候变化情景的建模具有重要意义，但目前大多数气候模型尚未考虑岩石风化释放的二氧化碳。未来的研究将重点关注人类活动是否可能导致岩石风化释放的二氧化碳增加，并探讨如何面对未来全球气候变化这一问题。

图2. 加拿大偏远的麦肯齐山脉的页岩富含岩石有机碳，是二氧化碳释放的热点（Credit: Robert Hilton）

• 岩石与碳循环

     古老的岩石中蕴藏着数百万年前植物和动物的碳遗骸，构成了巨大的碳储存库。这意味着“地质碳循环”实际上充当了一个恒温器，有助于调节地球的温度。例如，在化学风化过程中，当某些矿物受到雨水中的弱酸侵蚀时，岩石可以吸收二氧化碳。这一过程有助于抵消全球火山持续释放的二氧化碳，是地球自然碳循环的一部分，有助于保持地表对生命的适宜环境已经数十亿年。然而，这项新研究首次测量了岩石向大气中释放二氧化碳的另一个自然过程，发现其规模与全球火山释放的二氧化碳一样重要。目前，这一过程并未包含在大多数自然碳循环模型中。这一过程发生在岩石从古代海底（植物和动物被埋在沉积物中的地方）被推回到地球表面时，例如，当喜马拉雅山脉或安第斯山脉等山脉形成时。这使岩石中的有机碳暴露在空气和水中的氧气中，可以发生反应并释放二氧化碳，意味着风化岩石可能是一个二氧化碳源。

图3.a. Re代用样本的位置及其上游集水区。b. 岩石上1米内OCpetro储量的空间明确估计。c. 基于10Be数据和全球地形坡度栅格的岩石风化的空间模型。d. 通过我们校准的空间模型外推的全球表面上的OCpetro氧化通量。（Credit: Robert Hilton）

    迄今为止，测量岩石中有机碳风化释放的二氧化碳一直非常困难。在这项新研究中，研究人员使用了一种示踪元素（铼），当岩石中的有机碳与氧气反应时，铼会释放到水中。通过取样河水来测量铼的含量，可以量化二氧化碳释放。然而，要对全球所有河水进行取样以获取全球估算将是一项巨大的挑战。为了在全球范围内进行估算，研究人员采取了两个步骤。首先，他们计算了地表附近岩石中存在多少有机碳。其次，他们计算了这些岩石在陡峭山区的侵蚀中最快地暴露的地方。

     研究负责人、牛津大学地球科学系的Jesse Zondervan博士表示：“挑战在于如何将这些全球地图与河流数据相结合，同时考虑不确定性。我们将所有数据输入牛津的超级计算机中，模拟了物理、化学和水文过程的复杂相互作用。通过拼凑这个广阔的行星拼图，我们最终能够估算岩石风化过程中释放古老碳排放到空气中的总二氧化碳量。”

     然后，这可以与通过岩石风化硅酸盐矿物来吸收的二氧化碳量进行比较。研究结果发现，许多地区的风化都是二氧化碳的来源，挑战了目前对风化如何影响碳循环的观点。二氧化碳释放的热点集中在山脉地区，这些山脉具有高抬升速度，导致沉积岩暴露在外，如东喜马拉雅山、落基山和安第斯山脉。全球来自岩石有机碳风化的二氧化碳释放量估计为每年68兆吨碳。牛津大学地球科学系的Robert Hilton教授，他领导的ROC-CO2研究项目资助了这项研究，他表示：“虽然与当今人类通过燃烧化石燃料排放的二氧化碳相比，这只是其百分之一，但与全球各地的火山释放的二氧化碳量相似，这意味着它是地球自然碳循环中的一个关键因素。”

图4. a. 硅酸盐10与OCpetro风化通量及其净值对比。在绘图的阴影部分显示了产生CO2净源的盆地，净风化CO2通量的大小由符号颜色表示（以MtC/年为单位）。b、c. 净风化平衡与盆地平均剥蚀（红色箭头：交叉点约在30 mm/kyr）（b）以及与盆地平均OCpetro库存（c）之间的关系。误差条代表基于培训数据不确定性的OCpetro氧化模型输出的不确定性（详见方法，“OCpetro氧化产量与不确定性”）。d、e. 地球表面不同地区的抬升和侵蚀速率、气候和OCpetro库存的变化影响OCpetro和硅酸盐风化速率不同，导致岩石风化是CO2的源（d）或汇（e）的区域。（Credit: Robert Hilton）

• 影响和未来方向

    这些通量可能在地球的过去发生了变化。例如，在引起含有有机物的许多岩石上升的山脉建造期间，二氧化碳释放可能更高，影响了过去的全球气候。正在进行的和未来的工作正在研究由于人类活动引起的侵蚀变化，以及由于人为气候变化导致的岩石变暖如何可能增加这一自然碳泄漏。现在研究团队提出的一个问题是，这种自然二氧化碳释放是否会在未来一个世纪内增加。“目前我们还不知道——我们的方法允许我们提供一个可靠的全球估算，但尚无法评估其可能的变化”，Hilton说。总而言之，虽然岩石风化释放的二氧化碳与当今人类排放的相比较小，但对于更好地预测碳预算具有改进理解这些自然通量将有所帮助，Zondervan博士总结道。

原文信息: “Rock organic carbon oxidation CO2 release offsets silicate weathering sink” by Jesse R. Zondervan, Robert G. Hilton, Mathieu Dellinger, Fiona J. Clubb, Tobias Roylands and Mateja Ogrič, 4 October 2023, Nature. DOI: 10.1038/s41586-023-06581-9

策划：中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会