玄武岩风化的碳汇效应：来自不同气候带小流域的对比研究

Applicant has been focusing on the area of “chemical weathering-carbon cycle-climate change” in recent years. In the earlier works, I studied the large rivers originating from the Tibetan Plateau and discussed the influence of the plateau uplifting on the atmospheric CO2 consumption and the global climate change. I also did some studies on small granitic watersheds in past several years. In view of the important role of basalt weathering in the global carbon cycle and two critical scientific problems from present studies, we design this project. We plan to systematically investigate some small basaltic watersheds in different climate zones in China. By analyzing mineral compositions, element concentrations and Sr, Ca, and U isotopic compositions, we use mass balance model to clarify the contribution of trace carbonate minerals, and then calculate atmospheric CO2 consumption by surface water. Using 234U/238U method to differentiate the groundwater flux and calculate the contribution of groundwater weathering to carbon cycle. The relations between weathering rates in surface water /groundwater and some controlling factors, such as, climate and tectonics will be constructed to elucidate the reliable paths extrapolating regional studies to the globe. Based on these studies, we will re-assess the role of basalt weathering on the global carbon cycle and climate change.

申请人近年来一直从事大陆风化-碳循环-气候变化方向的研究。在前期工作中，对发源于青藏高原的大河进行了较详细的地球化学分析，探讨了高原抬升对大气CO2消耗及全球气候变化的影响。近几年申请人还开展了对花岗岩类小流域的研究。鉴于玄武岩风化在全球碳循环中的重要作用，以及目前研究中存在的两个关键科学问题，即：微量碳酸盐矿物的贡献比例和地下水风化对碳循环的贡献比例，设计本项目来对我国不同气候带的玄武岩小流域进行综合研究。通过分析样品的矿物组成、元素含量和Sr、Ca、U同位素组成，运用质量平衡方法，厘清玄武岩流域中微量碳酸盐矿物风化的贡献，在此基础上计算地表水风化对大气CO2的消耗。运用U同位素方法区分地下水通量，以此计算地下水风化对碳循环的贡献。探讨地表水、地下水风化速率与区域气候、构造等因素的可能关系，阐明将不同气候带的区域研究外推至全球的可靠思路，重新审视玄武岩风化对全球碳循环及气候变化的作用。

硅酸盐矿物的化学风化消耗大气CO2，是一个重要的碳汇，在平衡全球碳循环以及调节气候的过程中扮演着重要的角色。玄武岩风化是硅酸盐风化中最主要的组成部分。研究显示，大陆玄武岩的化学风化占据全球硅酸盐风化消耗大气CO2量的30%–35%，而流域面积只占5%。.鉴于玄武岩风化在全球碳循环及气候变化中的重要作用，以及目前研究中存在的“玄武岩流域中微量碳酸盐矿物风化的贡献比例”、“地下水中化学风化对碳循环的影响”尚不清楚的科学问题，申请人对我国境内不同气候带的玄武岩小流域进行了综合研究。取得的主要结果包括：.(1)海南、盱眙、峨眉和东北玄武岩的元素和Sr同位素结果显示，与冰岛和喜马拉雅区域不同的是，我们研究的这几个玄武岩区域，河水Ca/Sr比值和Sr同位素比值的投点远远偏离方解石端元，表明这些玄武岩小流域极少受到微量方解石的影响。.(2)海南岛的地表和地下化学风化速率在全球热带火山岛中均属于低值范围。主要的原因是，相对较低的降水量和老死火山低的孔隙度导致海南岛的地表和地下径流量以及地下水的TDS均要远低于其他热带地区年轻的活火山岛。因此，全球火山岛地表和地下化学风化对全球碳循环的影响不能简单的外推。.(3)黑龙江流域硅酸盐风化所消耗的大气CO2量约占全球的0.95–2.25%。与其他流经温带/寒带的河流相比，与西伯利亚的叶尼塞河相当，但明显高于鄂毕河、勒拿河、麦肯齐河、育空河等。即使与其他中低纬河流相比，也是处于一个相对较高的水平，展现了其在全球碳循环中的重要作用，这可能主要得益于黑龙江流域中广泛分布的基性火山岩。