Tektoniskt aktiva berg spelar en viktig roll i den naturliga CO2 reglering av atmosfären. Konkurrerande processer äger rum här:På jordens yta driver erosion väderprocesser som absorberar eller frigör CO2 , beroende på typ av sten. På djupet leder uppvärmningen och smältningen av karbonatberg till avgasning av CO2 vid ytan.
I de centrala italienska Apenninerna har forskare under ledning av Erica Erlanger och Niels Hovius från GFZ German Research Centre for Geosciences och Aaron Bufe från Ludwig-Maximilians-Universität München nu undersökt och balanserat alla dessa processer i en region för första gången — med hjälp av bland annat analyser av CO2 innehåll i bergsfloder och källor. De fann att vittring i denna region leder till en total CO2 upptag.
Dessa ytnära processer bestämmer dock bara CO2 balans i områden med en tjock och kall skorpa. På den västra sidan av Centrala Apenninerna är skorpan tunnare och värmeflödet högre. Där, CO2 avgasning från djup är upp till 50 gånger större än CO2 upptag genom vittring.
Sammantaget är det analyserade landskapet en CO2 utsändare. Jordskorpans struktur och dynamik styr därför utsläppet av CO2 här starkare än kemisk vittring. Studien publicerades idag i tidskriften Nature Geoscience .
Bergens roll i jordens CO2 budget
Förutom konstgjorda CO2 utsläpp, många naturliga processer – både biologiska och geologiska – spelar också en roll för att balansera den globala CO2 budget. Bergslandskap modulerar kraftigt kolets kretslopp, och det är viktigt att ta hänsyn till konkurrensen mellan CO2 utsläpp och CO2 upptag som sker här i klimatmodeller.
Å ena sidan är stenar på jordens yta vittrade av kemiska upplösningsprocesser:erosion exponerar kontinuerligt berg, som – beroende på bergart – vittrar ut i olika hastigheter och antingen absorberar eller frigör CO2 . Silikatmineraler binder till exempel CO2 och bildar kalksten. I sin tur frigör vittringen av karbonat och sulfidhaltiga mineral CO2 .
En forskargrupp ledd av Aaron Bufe och Niels Hovius har undersökt konkurrensen mellan CO2 frigörelse och avdrag från väderpåverkan i en ytterligare studie publicerad i tidskriften Science i början av mars. phys.org/news/2024-03-geologis … -ranges-largest.html">De analyserade inverkan av erosionshastigheten på CO2 balans med olika bergsregioner runt om i världen som exempel.
Men bergsbyggande påverkar inte bara erosion och vittringshastigheter på jordens yta. Där tektoniska plattor glider över varandra kan uppvärmning av karbonatstenar i skorpan och manteln leda till kemiska reaktioner associerade med CO2 utsläpp.
"Tidigare studier har ofta fokuserat på en enskild process och har behandlat väderpåverkan på ytan och processer på djupet separat. Det ville vi ändra på", säger Niels Hovius.
Undersökningar i Appenninerna:CO2 avgasning eller lagring – vilken process dominerar?
Konkurrensen mellan ytnära och djupt liggande processer är nu i fokus i en ny studie av Erica Erlanger, postdoktor vid GFZ och Université de Lorraine (Frankrike), Aaron Bufe, professor i sedimentologi vid LMU München och tidigare postdoktor vid GFZ och Niels Hovius, chef för geomorfologisektionen vid GFZ och professor vid University of Potsdam, tillsammans med kollegor från Frankrike, Italien, USA och Schweiz.
De centrala Apenninerna i Italien visar sig vara en särskilt lämplig region för denna studie, som Erica Erlanger, första författare till studien, förklarar:"Detta område är en del av en aktiv bergskedja med tätt åtskilda zoner med tjock, kall skorpa och tunn, varm skorpa, vilket gör det möjligt för oss att undersöka påverkan av aktivitet under ytan. De klimatiska förhållandena samt topografin och bergarterna på ytan är likartade i hela området, så det bör inte finnas några stora skillnader i väderleksaktivitet."
Provtagning och analys av CO2 innehåll
I de västra centrala Apenninerna är jordskorpans tjocklek cirka 20 kilometer och värmeflödet upp till över 100 milliwatt per kvadratmeter, medan skorpan i öster är mer än 40 kilometer tjock, med ett värmeflöde på cirka 30 milliwatt per kvadrat. meter.
Forskarna tog totalt 104 vattenprover i de västra Tevere och östra Aterno-Pescara-flodsystemen, 49 av dem sommaren 2020 och 55 under vintern 2021, som täcker de varmaste och torraste årstiderna och de regnigaste och kallaste årstiderna för att uppskatta minimum ( sommar) och maximal (vinter) CO2 flöden.
Vattenprover är lämpliga eftersom floder och källor transporterar kol, som härrör både från djup och från vittringsreaktioner nära ytan. Den kemiska analysen av proverna innefattade bestämning av den relativa förekomsten av olika kolisotoper. Dessa kan ge information om huruvida kolet kommer från en växt eller från atmosfären eller har släppts från en subducerad bergart.
"På denna grund kunde vi beräkna mängden CO2 frigörs vid väderpåverkan eller från karbonater på djupet, och mängderna CO2 bundna av väderbitna silikater", förklarar Erlanger.
För att uppskatta en total balans för CO2 Appenninernas budget, tog forskarna också hänsyn till uppskattningar för oorganisk CO2 utsläpp från gasventiler kända från den västra sidan av Apenninerna, samt från organisk CO2 utbyte.
Centrala Apenninerna som netto CO2 källa, men med en delad CO2 balans
Forskargruppen fann att vittringsprocesserna i hela studieområdet till övervägande del fångar CO2 och släpp den inte. Anmärkningsvärt är dock att där skorpan är tunn och värmeflödet är högt, CO2 utsläpp från djup överträffar väderrelaterad CO2 flöden med en faktor på 10 till 50. Totalt sett är regionen därför en CO2 källa.
"Viktigt, fluktuationer i CO2 utsläpp från djupberg är mycket större än fluktuationer i kemiska vittringsflöden. Detta innebär att den regionala geodynamiken i de centrala Appenninerna påverkar kolets kretslopp starkast genom att modulera utsläppet av CO2 från djupet, och inte genom att påverka väderreaktioner", sammanfattar Erica Erlanger.
"Baserat på områdets geologiska utveckling uppskattar vi att CO2 utgasning från jordskorpan och manteln har troligen skett under de senaste 2 miljoner åren."
"Våra undersökningar kommer att bidra till en bättre förståelse av den faktiska CO2 balans för atmosfären och därmed bättre långsiktiga klimatmodeller", säger Aaron Bufe. "De hjälper också till att klargöra hur vår planet har upprätthållit det smala utbudet av förhållanden som främjar liv genom att balansera CO2 avgasning och CO2 lagringsprocesser över geologiska tider."
Niels Hovius säger:"Om vi vill undersöka bergs roll för jordens kolcykel i en mer allmän mening, kommer även till synes enkla geologiska frågor att kräva ett mer holistiskt tillvägagångssätt. Av särskilt intresse är geologiskt unga bergsbälten vid plattgränser, där karbonat stenar kommer sannolikt att dominera både nära ytan och på djupet.
"Dagens Medelhavsregion och andra relativt unga bergskedjor, som den indonesiska skärgården, uppvisar geologiska förhållanden och bergarter som liknar de centrala Apenninerna. Så nästa stora fråga vi står inför är om avgasning i aktiva tektoniska områden kan vara ett globalt fenomen i rum och tid."
Mer information: Erica Erlanger et al, Deep CO2 release and the carbon budget of the central Appennines moduled by geodynamics, Nature Geoscience (2024). DOI:10.1038/s41561-024-01396-3
Journalinformation: Naturgeovetenskap , Vetenskap
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
