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大氣中二氧化碳的濃度影響控制著地球的氣候。沉積巖是一個巨大的碳地質(zhì)儲集層，可以與大氣交換CO₂。巖石中的碳以有機(jī)物（如古植物殘骸）和碳酸鹽礦物（如方解石或碳酸鈣）的形式儲存。侵蝕作用會使沉積巖暴露在大氣中的氧氣中，這會導(dǎo)致沉積巖的風(fēng)化并進(jìn)一步使得：i）沉積有機(jī)物因氧化作用而釋放CO₂；ii）硫化物礦物（如黃鐵礦）因氧化作用產(chǎn)生硫酸，最終溶解碳酸鹽礦物并釋放CO₂。

換句話說，當(dāng)沉積巖暴露在大氣中時，它們會釋放出CO₂，這些CO₂已經(jīng)被封存了數(shù)百萬年。而這一釋放過程與人類燃燒化石燃料排放的CO₂相比是非常緩慢的。然而，它很可能是天然碳循環(huán)的主要參與者，并在數(shù)千到數(shù)百萬年的時間里影響著大氣中的CO₂。

圖1A.EGM-5便攜式CO₂氣體分析儀通過MS³采樣系統(tǒng)^[3]連接至鉆入巖石表面的取樣室^[2]，同時我們測量了法國德拉瓦河流域沉積巖的CO₂碳通量。（R. Hilton）B.于新西蘭懷亞普河流域安裝設(shè)備

盡管如此，這種CO₂溢出并沒有受到很好的控制，主要是由于我們?nèi)狈�對這種情況發(fā)生的速度以及流量在空間和時間上的變化的監(jiān)測。沉積巖風(fēng)化產(chǎn)生的CO₂碳通量通常是間接估算的，例如通過測量溶解在河水中的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行估算^[1]。到目前為止還沒有直接測量沉積巖CO₂碳通量的報道。

為了原位測量沉積巖CO₂碳通量，英國達(dá)勒姆大學(xué)地理系的Robert G. Hilton和Guillaume Soulet以及英國東基爾布萊德放射性碳設(shè)施NERC自然環(huán)境研究委員會的Mark H. Garnett設(shè)計了一種新的測定方法。該研究由歐洲研究理事會啟動撥款資助的ROC-CO₂項目資助，并由法國OZCAR-RI Draix-Bléone天文臺予以大力支持。

該團(tuán)隊設(shè)計了一種全新的取樣室^[2]，與參考文獻(xiàn)^[3]中設(shè)計的分子篩取樣系統(tǒng)（MS³）進(jìn)行連接，并使用來自美國PP SYSTEMS的EGM-5便攜式CO₂氣體分析儀進(jìn)行原位測定。該取樣室直接鉆入正在風(fēng)化的巖石表面，通過使用PVC管、橡膠塞和一系列玻璃管和Tygonundefinedreg;管進(jìn)行密封。這使得操作人員能夠通過EGM-5便攜式CO₂氣體分析儀（圖1和2）將氣室連接到CO₂取樣系統(tǒng)（MS³）。

設(shè)計的取樣室尺寸通常深40cm，直徑3cm，使取樣室的內(nèi)部面積體積比較高，而有利于CO₂流量的測量。

圖2.新西蘭Waiapu河流域正在使用的新方法（通過MS³監(jiān)測采樣系統(tǒng)^[3]將EGM-5便攜式CO2氣體分析儀連接至在巖石面^[2]中鉆取的取樣室）示例。（R. Hilton）

取樣氣室是非常穩(wěn)定可靠的，可以在野外停留數(shù)月或數(shù)年，以便監(jiān)測季節(jié)性循環(huán)中CO₂流出的變化。該設(shè)計利用MS³系統(tǒng)^[3]的優(yōu)點，使操作人員能夠在測量CO₂通量的同時，通過分子篩主動捕集CO₂。這是一個關(guān)鍵的創(chuàng)新點，因為放射性碳(¹⁴C)和穩(wěn)定碳(¹²C和¹³C)的組合是取樣CO₂的主要成分。需要將測得的CO₂通量分為兩部分：沉積有機(jī)物氧化產(chǎn)生的CO₂通量和硫酸溶解碳酸鹽產(chǎn)生的CO₂通量^[2]。

下圖所示為2017.3.27通過取樣室及EGM-5便攜式CO₂測定儀原位測定的CO₂通量數(shù)據(jù)及于實驗室測定的同位素數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示沉積巖所產(chǎn)生的CO₂碳通量很高（～730 mgC/m²/day）（圖3B-C）。隨后進(jìn)行的同位素測量表明，75%的通量來自于被硫酸溶解的碳酸鹽，其余25%來自于沉積有機(jī)物的氧化^[2]。

圖3A.使用美國PP SYSTEMS公司EGM-5便攜式CO2氣體分析儀和CO2監(jiān)測采樣系統(tǒng)[3]原位監(jiān)測的pCO2變化趨勢，持續(xù)時間約3小時。當(dāng)CO2在沉積巖內(nèi)取樣室內(nèi)積聚時，pCO2會增加，而當(dāng)CO2從取樣室內(nèi)被收集到分子篩采樣器中時，pCO2會急劇減少[2]�；疑珔^(qū)域為碳溢出速率測定窗口，用于計算原始pCO2記錄道中的CO2流量（請參見參考文獻(xiàn)[2]中的更多詳細(xì)信息）。B-C.計算出的監(jiān)測期間相對應(yīng)的CO2碳通量速率，平均約為730 mgC/m2/day。

基于這一新方法，Robert Hilton、Guillaume Soulet和ROC-CO₂團(tuán)隊正在其他不同巖石類型的地點部署這些取樣室，同時也在全年定期監(jiān)測CO₂碳通量，以評估CO₂碳通量的時間變異性�？傊�，這些數(shù)據(jù)將有助于提高我們更好的理解沉積巖的氧化風(fēng)化作用是如何影響地質(zhì)中碳循環(huán)的過去、現(xiàn)在和未來。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hilton, RG, et al., (2014) Geological respiration of a mountain belt revealed by the trace element rhenium. Earth and Planetary Science Letters 403:27-36.

[2]Soulet G, Hilton RG, et al. (2018) Technical note: In situ measurement of flux and isotopic composition of CO2 released during oxidative weathering of sedimentary rocks. Biogeosciences 15(13):4087–4102.
[3] Hardie SML, Garnett MHH, et al. (2005) Carbon dioxide capture using a zeolite molecular sieve sampling system for isotopic studies ( 13 C and  14 C) of respiration. Radiocarbon 47(3):441–451.