首页 >> 科研前线 >>EGM-5碳通量 >> EGM-5便携式CO2分析仪原位测定沉积岩碳通量变化
详细内容

EGM-5便携式CO2分析仪原位测定沉积岩碳通量变化

欢迎关注「汉莎科技集团」微信公众号!

1559521771863406.jpg

气中二氧化碳的浓度影响控制着地球的气候。沉积岩是一个巨大的碳地质储集层,可以与大气交换CO2。岩石中的碳以有机物(如古植物残骸)和碳酸盐矿物(如方解石或碳酸钙)的形式储存。侵蚀作用会使沉积岩暴露在大气中的氧气中,这会导致沉积岩的风化并进一步使得:i)沉积有机物因氧化作用而释放CO2;ii)硫化物矿物(如黄铁矿)因氧化作用产生硫酸,最终溶解碳酸盐矿物并释放CO2

换句话说,当沉积岩暴露在大气中时,它们会释放出CO2,这些CO2已经被封存了数百万年。而这一释放过程与人类燃烧化石燃料排放的CO2相比是非常缓慢的。然而,它很可能是天然碳循环的主要参与者,并在数千到数百万年的时间里影响着大气中的CO2

图片2.jpg

1A.EGM-5便携式CO2气体分析仪通过MS3采样系统[3]连接至钻入岩石表面的取样室[2],同时我们测量了法国德拉瓦河流域沉积岩的CO2碳通量。(R. HiltonB.于新西兰怀亚普河流域安装设备

尽管如此,这种CO2溢出并没有受到很好的控制,主要是由于我们缺乏对这种情况发生的速度以及流量在空间和时间上的变化的监测。沉积岩风化产生的CO2碳通量通常是间接估算的,例如通过测量溶解在河水中的反应产物进行估算[1]。到目前为止还没有直接测量沉积岩CO2碳通量的报道。

1559521835774886.jpg

为了原位测量沉积岩CO2碳通量英国达勒姆大学地理系的Robert G. HiltonGuillaume Soulet以及英国东基尔布莱德放射性碳设施NERC自然环境研究委员会Mark H. Garnett设计了一种新的测定方法。该研究由欧洲研究理事会启动拨款资助的ROC-CO2项目资助,并由法国OZCAR-RI Draix-Bléone天文台予以大力支持。

图片4.jpg

图片5.jpg

该团队设计了一种全新的取样室[2],与参考文献[3]中设计的分子筛取样系统(MS3)进行连接,并使用来自美国PP SYSTEMSEGM-5便携式CO2气体分析仪进行原位测定。该取样室直接钻入正在风化的岩石表面,通过使用PVC管、橡胶塞和一系列玻璃管和Tygonundefinedreg;管进行密封。这使得操作人员能够通过EGM-5便携式CO2气体分析仪(图1和2)将气室连接到CO2取样系统(MS3)。

设计的取样室尺寸通常深40cm,直径3cm,使取样室的内部面积体积比较高,而有利于CO2流量的测量。

1559521943537872.jpg

图2.新西兰Waiapu河流域正在使用的新方法(通过MS3监测采样系统[3]将EGM-5便携式CO2气体分析仪连接至在岩石面[2]中钻取的取样室)示例。(R. Hilton)

取样气室是非常稳定可靠的,可以在野外停留数月或数年,以便监测季节性循环中CO2流出的变化。该设计利用MS3系统[3]的优点,使操作人员能够在测量CO2通量的同时,通过分子筛主动捕集CO2。这是一个关键的创新点,因为放射性碳(14C)和稳定碳(12C13C)的组合是取样CO2的主要成分。需要将测得的CO2通量分为两部分:沉积有机物氧化产生的CO2通量和硫酸溶解碳酸盐产生的CO2通量[2]

1559521977255439.jpg

下图所示为2017.3.27通过取样室及EGM-5便携式CO2测定仪原位测定的CO2通量数据及于实验室测定的同位素数据。数据显示沉积岩所产生的CO2碳通量很高(~730 mgC/m2/day)(图3B-C)。随后进行的同位素测量表明,75%的通量来自于被硫酸溶解的碳酸盐,其余25%来自于沉积有机物的氧化[2]

1559522012247230.jpg

1559522037724649.jpg

图3A.使用美国PP SYSTEMS公司EGM-5便携式CO2气体分析仪和CO2监测采样系统[3]原位监测的pCO2变化趋势,持续时间约3小时。当CO2在沉积岩内取样室内积聚时,pCO2会增加,而当CO2从取样室内被收集到分子筛采样器中时,pCO2会急剧减少[2]。灰色区域为碳溢出速率测定窗口,用于计算原始pCO2记录道中的CO2流量(请参见参考文献[2]中的更多详细信息)。B-C.计算出的监测期间相对应的CO2碳通量速率,平均约为730 mgC/m2/day。

基于这一新方法,Robert Hilton、Guillaume SouletROC-CO2团队正在其他不同岩石类型的地点部署这些取样室,同时也在全年定期监测CO2碳通量,以评估CO2碳通量的时间变异性。总之,这些数据将有助于提高我们更好的理解沉积岩的氧化风化作用是如何影响地质中碳循环的过去、现在和未来。


参考文献:

[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.

技术支持: 中企崛起 | 管理登录