麻省理工学院发现的全球降温现象：构造粘土有效捕获有机碳

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麻省理工学院的研究人员发现，板块构造形成的一种粘土矿物--埃米土能够有效固碳，从而影响全球气候长达数千年之久。他们的研究结果表明，现在经常被用来治疗腹泻的蒙脱石在引发过去的冰河时期发挥了重要作用，并为未来减缓气候变化提供了潜力。

一种被称为蒙脱石的粘土能有效捕获有机碳，并能在数百万年内帮助缓冲全球变暖。麻省理工学院的地质学家发现，海底一种名为"smectite"的粘土矿物具有令人惊讶的强大固碳能力，可持续数百万年。在显微镜下，一粒粘土就像手风琴的褶皱。众所周知，这些褶皱是有机碳的有效捕获器。

捕碳粘土的构造起源

现在，麻省理工学院的研究小组已经证明，碳捕集粘土是板块构造的产物： 当海洋地壳挤压大陆板块时，会将岩石带到地表，随着时间的推移，这些岩石会风化成包括泥质粘土在内的矿物。最终，粘土沉积物沉淀回海洋中，矿物质在其微小的褶皱中捕获死去的生物体。这样，有机碳就不会被微生物消耗，并以二氧化碳的形式排回大气中。

经过数百万年后，蒙脱石会产生全球效应，帮助整个地球降温。通过一系列分析，研究人员发现，在过去的 5 亿年里，埃米板岩很可能是在几次大的构造事件之后产生的。在每次构造事件中，粘土都捕获了足够的碳，从而冷却了地球，并引发了随后的冰河时期。

这些发现首次表明，板块构造可以通过产生碳捕集粘土引发冰期。

麻省理工学院的地质学家发现，构造活动产生了一种粘土，这种粘土在数百万年的时间里，可以在其微观褶皱中（如图所示）封存数量惊人的有机碳。图片来源：波士顿大学 Anthony Priestas 提供

科学家们相信，蒙脱石能继续固碳，为人类的气候变暖活动提供一个天然的、虽然作用缓慢的缓冲器。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系研究生约书亚-默里（Joshua Murray）说："这些不起眼的粘土矿物的影响对行星的宜居性有着广泛的意义。这些粘土甚至可能在现代应用中抵消人类排放到大气中的一些碳。"
穆雷和麻省理工学院地质学教授奥利弗-贾古兹于11月30日在《自然-地球科学》杂志上发表了他们的研究成果。

构造与气候变化之间的联系

这项新研究是对该研究小组之前工作的跟进，之前的工作表明，地球上的每一次大冰期都可能是由热带地区的构造事件引发的。研究人员发现，每一次构造事件都会使被称为蛇绿岩的海洋岩石暴露在大气中。他们提出的观点是，当热带地区发生构造碰撞时，蛇绿岩会发生某些风化作用，如暴露在风、雨和化学作用下，将岩石转化为各种矿物，包括粘土。

默里解释说："这些粘土矿物会以不同的方式影响气候，具体取决于你创造的种类。"

当时，人们还不清楚这种风化作用会产生哪些矿物质，也不清楚这些矿物质是否以及如何直接导致地球降温。因此，尽管板块构造和冰期之间似乎存在联系，但两者之间的确切触发机制仍是个问题。

在新的研究中，研究小组希望了解他们提出的构造热带风化过程是否会产生碳捕获矿物质，其数量是否足以引发全球冰河时期。

模拟研究

研究小组首先查阅了地质文献，汇编了有关主要岩浆矿物随时间风化的方式以及这种风化可能产生的粘土矿物类型的数据。然后，他们将这些测量数据应用到不同岩石类型的风化模拟中，这些岩石类型在构造碰撞中暴露无遗。

贾古兹说："然后，我们研究这些岩石类型在风化和热带环境影响下碎裂时会发生什么情况，以及由此形成了哪些矿物。"接下来，他们将每一种风化后的"最终产品"矿物输入到地球碳循环的模拟中，以了解特定矿物在与有机碳（如死亡生物的碎屑）或无机碳（以大气中二氧化碳的形式）相互作用时可能产生的影响。

从这些分析中，有一种矿物的存在和影响是显而易见的，那就是蒙脱石。这种粘土不仅是热带构造作用的自然风化产物，而且在捕获有机碳方面也非常有效。从理论上讲，蒙脱石似乎是构造运动和冰期之间的可靠联系。

但是，是否真的有足够的粘土引发了前四次冰期呢？理想情况下，研究人员应该在追溯到每次全球变冷时期的古岩层中发现蒙脱石，从而证实这一点。

"不幸的是，当粘土被其他沉积物掩埋时，它们会被煮熟一些，因此我们无法直接测量它们，"默里说。"但我们可以寻找它们的指纹。"

研究小组推断，由于蒙脱石是蛇绿岩的产物，这些海洋岩石也含有镍和铬等特征元素，这些元素会保存在古代沉积物中。如果过去曾存在过泥质岩，那么镍和铬也应该存在。

为了验证这一想法，研究小组查阅了一个数据库，其中包含数千种在过去 5 亿年中沉积下来的海洋沉积岩。在这段时间里，地球经历了四次不同的冰期。研究人员观察了每个冰期周围的岩石，发现镍和铬的含量大幅上升，并由此推断，当时一定也存在着钠长石。

蒙脱石的长期重大影响

据他们估计，这种粘土矿物可能会使有机碳的保存率提高不到十分之一。从绝对值来看，这是一个微不足道的数字。但是，经过数百万年的时间，他们计算出粘土积累和封存的碳足以引发四大冰期中的每一次。

贾古兹说："我们发现，要对气候产生巨大影响，其实并不需要太多这种物质。在过去的 300 万到 500 万年里，这些粘土也可能在一定程度上导致了地球的降温，那时人类还没有参与进来。在没有人类的情况下，这些粘土可能会对气候产生影响。只是这个过程非常缓慢。"

宾夕法尼亚州立大学地球科学教授 Lee Kump 说："贾古兹和默里的工作很好地证明了考虑全球碳循环的所有生物和物理成分是多么重要，所有这些成分之间的反馈控制着大气温室气体浓度的所有时间尺度，从大气二氧化碳水平的每年升降到数百万年来从冰室到温室的波动。"他没有参与这项研究。

潜在应用和未来研究

能否有意识地利用软岩来进一步降低全球的碳排放量？默里认为有一定的潜力，例如，可以加固永久冻土区等碳库。据预测，气温升高将使永久冻土融化，并暴露出埋藏已久的有机碳。如果能在这些地区使用粘土，粘土就能防止这些裸露的碳逃逸到大气中，并使大气进一步变暖。

贾古兹说："如果你想了解大自然是如何运作的，你就必须从矿物和晶粒的角度去了解它。这也是我们为这场气候灾难找到解决方案的前进方向。如果你研究这些自然过程，很有可能会发现一些真正有用的东西。"

参考文献 约书亚-默里（Joshua Murray）和奥利弗-贾古兹（Oliver Jagoutz）于2023年11月30日在《自然-地球科学》杂志上发表了题为"通过有机碳保存的蛇绿岩风化作用调节古生代的冷却"的文章。

DOI: 10.1038/s41561-023-01342-9

编译来源：ScitechDaily