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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(gè)巨大的碳地質(zhì)儲(chǔ)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�。┖吞妓猁}礦物（如方解石或碳酸鈣）的形式儲(chǔ)存。侵蝕作用會(huì)使沉積巖暴露在大氣中的氧氣中，這會(huì)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(shí)，它們會(huì)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(shí)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(shí)我們測(cè)量了法國(guó)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��?duì)這種情況發(fā)生的速度以及流量在空間和時(shí)間上的變化的監(jiān)測(cè)。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(cè)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(cè)量沉積巖CO₂碳通量的報(bào)道。

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

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種全新的取樣室^[2]，與參考文獻(xiàn)^[3]中設(shè)計(jì)的分子篩取樣系統(tǒng)（MS³）進(jìn)行連接，并使用來自美國(guó)PP SYSTEMS的EGM-5便攜式CO₂氣體分析儀進(jìn)行原位測(cè)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(jì)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(cè)量。

圖2.新西蘭Waiapu河流域正在使用的新方法（通過MS³監(jiān)測(cè)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(cè)季節(jié)性循環(huán)中CO₂流出的變化。該設(shè)計(jì)利用MS³系統(tǒng)^[3]的優(yōu)點(diǎn)，使操作人員能夠在測(cè)量CO₂通量的同時(shí)，通過分子篩主動(dòng)捕集CO₂。這是一個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新點(diǎn)，因?yàn)榉派湫蕴?/span>(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(cè)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(cè)定儀原位測(cè)定的CO₂通量數(shù)據(jù)及于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的同位素?cái)?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(cè)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(guó)PP SYSTEMS公司EGM-5便攜式CO2氣體分析儀和CO2監(jiān)測(cè)采樣系統(tǒng)[3]原位監(jiān)測(cè)的pCO2變化趨勢(shì)，持續(xù)時(shí)間約3小時(shí)。當(dāng)CO2在沉積巖內(nèi)取樣室內(nèi)積聚時(shí)，pCO2會(huì)增加，而當(dāng)CO2從取樣室內(nèi)被收集到分子篩采樣器中時(shí)，pCO2會(huì)急劇減少[2]�；疑珔^(qū)域?yàn)樘家绯鏊俾蕼y(cè)定窗口，用于計(jì)算原始pCO2記錄道中的CO2流量（請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)[2]中的更多詳細(xì)信息）。B-C.計(jì)算出的監(jiān)測(cè)期間相對(duì)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(duì)正在其他不同巖石類型的地點(diǎn)部署這些取樣室，同時(shí)也在全年定期監(jiān)測(cè)CO₂碳通量，以評(píng)估CO₂碳通量的時(shí)間變異性。總之，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.