Chu trình carbon rất cần thiết để biết được nồng độ CO2 trong khí quyển và sự biến đổi khí hậu toàn cầu, nó là một chủ đề quan trọng của khoa học nghiên cứu trái đất. Tuy nhiên, carbon được biến đổi và chuyển tiếp dưới nhiều hình thức, xảy ra trong hoặc giữa thạch quyển, thủy quyển, khí quyển và sinh quyển của Trái đất. Nó trải qua nhiều thước đo không gian và thời gian, đồng thời thể hiện một mô hình chu kỳ phức tạp, cũng là một vấn đề dai dẳng trong khoa học nghiên cứu trái đất. Trong số đó, quá trình phong hóa đá trên bề mặt trái đất là một quá trình then chốt kết nối khí quyển và chu trình cacbon thạch quyển, thu hút được nhiều sự chú ý.
Phong hóa có thể phân hủy hoặc hòa tan các khoáng chất hoặc các thành phần như silicat, cacbonat, sunfua và cacbon hữu cơ trong đá ở bề mặt trái đất, và chuyển cacbon vào khí quyển (Hình 2). Thông thường, người ta tin rằng sự phong hóa hóa học của các khoáng chất silicat (như fenspat, mica, pyroxen, olivin, v.v., chủ yếu xảy ra trong đá silicat) trên quy mô dài khoảng hơn 100.000 năm (Hình 3). Mức tiêu thụ thực của CO2 trong khí quyển (Hình 2, phương trình (1)), sự phong hóa hóa học của các khoáng chất cacbonat (như canxit, dolomit, v.v., chủ yếu trong đá cacbonat) do hòa tan và kết tủa là gần như cân bằng.
Điều cần nhấn mạnh là phong hóa hóa học bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vi mô như xúc tác nước, nhiệt độ và hoạt động của vi sinh vật, cũng như các yếu tố vĩ mô như khí hậu khu vực, địa hình và thảm thực vật sinh thái. Khí hậu ấm và ẩm ở những nơi có nhiều mưa và sinh vật xum xuê; ở những nơi có địa hình nhấp nhô, quá trình bóc mòn vật lý (xói mòn) liên tục loại bỏ đất bề mặt, thảm thực vật, đá và các lớp phủ khác để thúc đẩy sự tiếp xúc liên tục của các khoáng chất trong đá, điều này tăng cường phong hóa hóa học. Người ta ước tính rằng khu vực địa hình dốc cao, chỉ chiếm khoảng 10% diện tích đất liền, có thể đóng góp khoảng 40% quá trình phong hóa hóa học toàn cầu. Do đó, các quá trình vĩ mô và vi mô khác nhau xác định một cách toàn diện mức độ phong hoá. Trong đó: núi, nước chảy và chu trình cacbon có liên quan chặt chẽ với nhau.
Từ năm 1899, các nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng orogeny có thể thúc đẩy tiêu thụ CO2 trong khí quyển bằng cách tăng quá trình phong hóa hóa học của các khoáng chất silicat (Hình 4a) và có tác động quan trọng đến biến đổi khí hậu toàn cầu. Năm 1992, Giáo sư Raymo của Đại học Columbia và các cộng sự của ông đã viết một bài báo trên tạp chí Nature, đề xuất rằng sự nâng cao của Cao nguyên Thanh Hải – Tây Tạng, dãy núi Alps và Andes kể từ Đại Cổ sinh đã thúc đẩy quá trình phong hóa khoáng chất silicat, tiêu thụ CO2 trong khí quyển và làm mát khí hậu toàn cầu. Nó đã trở thành một lý thuyết sâu rộng về “sự nâng cao kiến tạo thúc đẩy biến đổi khí hậu” (Raymo và Ruddiman, 1992), và đã làm dấy lên mối quan tâm và tranh luận rộng rãi. Theo truyền thống, người ta thường tin orogeny (kiến tạo sơn) làm tăng xói mòn đá, phong hóa hóa học và tiêu thụ khí CO2 ròng trong khí quyển, là cơ chế chính để cân bằng lượng khí thải CO2 của núi lửa và duy trì sự ổn định lâu dài của khí quyển và khí hậu (Hình 4a). Tuy nhiên, mối quan hệ giữa các vành đai sinh vật và chu trình carbon phức tạp hơn nhiều so với những gì trước đây chúng ta nghĩ.
Trên thực tế, các loại đá, địa hình, môi trường khí hậu, thảm thực vật sinh thái và các điều kiện khác của vành đai sinh vật là khác nhau, ảnh hưởng toàn diện đến tốc độ xói mòn và mức độ phong hóa, cũng như hiệu ứng chu trình carbon. Ví dụ, đá và đất trong các vành đai sinh sản chứa nhiều loại khoáng chất, vật liệu để tiêu thụ hoặc giải phóng CO2 khi trải qua quá trình xói mòn – tái phân bố hoặc phong hóa hóa học, thể hiện các đặc tính carbon khác nhau, ảnh hưởng đến chu trình cacbon dài hạn (Hình 4b). Trong số đó, cacbon hữu cơ trong sinh quyển trên cạn (chẳng hạn như tàn dư thực vật) bị xói mòn, bị vận chuyển và chôn vùi trong các lớp trầm tích (Hình 2, phương trình (3)), có thể tạo thành bể chứa cacbon lâu dài (Hình 3; hơn 100.000 năm). Đồng thời, cacbon hữu cơ của đá trên cạn (như than đá, nhựa đường, chất hữu cơ trong đá trầm tích, v.v.) có thể được thải trực tiếp vào khí quyển do quá trình oxy hóa và phong hóa (Hình 2, phương trình (4)) và tạo thành nguồn cacbon quan trọng (Hình 3; Quy mô 1 triệu năm). Ngoài ra, các khoáng chất sulfua trong đá như pyrit bị oxy hóa và phong hóa để tạo ra axit sulfuric (Hình 2, phương trình (5) và (6)), chúng tiếp tục hòa tan các khoáng chất cacbonat và giải phóng CO2 (Hình 2, phương trình (7)), cũng có thể tạo thành một nguồn cacbon quan trọng (Hình 3; quy mô khoảng 1 triệu năm).
Trong bối cảnh này, làm thế nào để hiểu mối quan hệ giữa orogeny và chu trình carbon một cách chính xác hơn?
Trong hai thập kỷ qua, đã có nhiều tiến bộ đáng kể trong việc đánh giá định lượng quá trình phong hóa và thông lượng lưu chuyển cacbon. Ví dụ, vào năm 1999, bằng cách tổng hợp dữ liệu hóa học của nước của một số con sông lớn trên thế giới, người ta ước tính rằng lưu lượng CO2 trong khí quyển tiêu thụ bởi quá trình phong hóa hóa học của các khoáng chất silicat trên khắp thế giới có thể đạt khoảng 104 MtC năm-1, và nó cho thấy rằng tốc độ dòng chảy bề mặt và xói mòn có liên quan đến nhau. Năm 2005, bằng cách đo nồng độ carbon hữu cơ trong nước sông, người ta ước tính rằng dòng CO2 tiêu thụ do xói mòn – vận chuyển – chôn lấp carbon hữu cơ trong sinh quyển trên cạn có thể đạt khoảng 40-80 MtC năm-1. Lưu lượng CO2 tiêu thụ (khoảng 170 MtC năm-1) chiếm một tỷ lệ quan trọng. Vào năm 2014, sử dụng dữ liệu địa hóa học như đồng vị cacbon và mô hình số, người ta ước tính rằng dòng CO2 thải ra do quá trình oxy hóa và phong hóa cacbon hữu cơ trong đá trầm tích cổ trên thế giới có thể đạt khoảng 40-100 MtC năm-1. Vào năm 2018, bằng cách đo nồng độ sunfat và thành phần đồng vị lưu huỳnh trong nhiều con sông ở các môi trường địa lý và vùng khí hậu khác nhau, người ta ước tính rằng lưu lượng sunfat vận chuyển từ quá trình phong hóa oxy hóa pyrit có thể đạt khoảng 40 MtS năm-1, không thể bỏ qua quá trình phong hóa khoáng cacbonat liên quan và giải phóng CO2 trong khí quyển (Torres., 2014). Tóm lại, thông qua quan sát và phân tích định lượng hóa học nước sông hiện tại, dòng chuyển CO2 của quá trình phong hóa đá từ lưu vực ra phạm vi toàn cầu bị hạn chế.
Mặt khác, việc xác định mối quan hệ giữa tốc độ xói mòn và lưu lượng chuyển cacbon đã đạt được những tiến bộ quan trọng. Các nghiên cứu định lượng trên nhiều lưu vực sông trên thế giới cho thấy lưu lượng chuyển CO2 nói chung tăng cùng với sự gia tăng tốc độ xói mòn (Hình 5; Hilton và West, 2020). Do đó, sự di chuyển orogenic dẫn đến sự giảm nồng độ CO2 trong khí quyển và làm mát khí hậu, chủ yếu là do sự xói mòn của quá trình phong hóa hóa học khoáng silicat và sự gia tăng mức độ xói mòn cacbon hữu cơ trong sinh quyển (Gaillardet et al., 1999; Hilton, 2017). Tuy nhiên, tốc độ xói mòn cao không thể dẫn đến sự gia tăng tuyến tính dòng phong hóa của các khoáng chất silicat, dòng xói mòn của cacbon hữu cơ trong sinh quyển và dòng tiêu thụ CO2 của nó (Hình 5a, Hình 5b).
Ngoài ra, nhiệt độ thấp và dòng chảy bề mặt thấp (chẳng hạn như băng hà) sẽ làm suy yếu cường độ phong hóa của các khoáng chất silicat và làm giảm xói mòn của cacbon hữu cơ trong sinh quyển (Hilton, 2017; West et al., 2005). Nói tóm lại, một nghiên cứu toàn diện về các khu vực khác nhau cho thấy tốc độ xói mòn và lưu lượng chuyển CO2 không đơn giản.
Trên cơ sở này, Giáo sư Robert G. Hilton đã tóm tắt thêm những hiểu biết mới về núi, xói mòn và chu trình cacbon (Hình 6). Do tác động kiểm soát quan trọng của tốc độ xói mòn, các giai đoạn tiến hóa khác nhau của các vành đai sinh vật có thể có những ảnh hưởng khác nhau đến chu trình carbon dài hạn. Trong thời kỳ hoạt động nâng cao cấu trúc của vành đai sinh vật, tốc độ xói mòn cao. Trong một số điều kiện nhất định, quá trình phong hóa đá núi có thể có xu hướng trở thành nguồn CO2 trong khí quyển; tốc độ xói mòn ở giai đoạn sau của quá trình nâng cao kiến tạo thấp (chẳng hạn như địa hình thoải của Abba, Hoa Kỳ) trong một số điều kiện nhất định, quá trình phong hóa đá núi có thể có xu hướng trở thành bể chứa CO2 trong khí quyển (mặc dù thông lượng carbon có thể thấp). Ngoài ra, tác động của xói mòn núi đối với chu trình carbon bị ảnh hưởng bởi khí hậu. Ví dụ, ở các vùng khí hậu lạnh, sự xói mòn của các ngọn núi có nhiều khả năng tạo ra một nguồn CO2 ròng. Đồng thời, đá trầm tích giàu khoáng chất cacbon và sulfua hữu cơ hơn, và quá trình phong hóa núi có thể tạo ra nguồn CO2 ròng; đá núi lửa giàu khoáng chất silicat hơn và phong hóa núi lửa có thể tạo ra một bể chứa CO2. Điều đáng chú ý là do quá trình tiến hóa lâu dài của thành phần đá và thành phần khí quyển trong vành đai sinh vật, tác động của phong hóa đá núi đến chu trình cacbon cũng có thể thay đổi theo.
Tóm lại, nghiên cứu định lượng liên quan trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự hiểu biết về mối quan hệ giữa núi, nước chảy và chu trình carbon, nhưng vẫn còn nhiều nghiên cứu cần được phát triển. Trong tương lai, việc kết hợp các địa hình và vùng khí hậu khác nhau, dựa trên cấu trúc phong hóa và hóa học nước sông, đối với các loại đá khác nhau hoặc các thành phần cụ thể, đánh giá định lượng dòng truyền CO2 liên quan đến phong hóa, và xác định rõ hơn các vành đai sinh sản, tốc độ xói mòn và phong hóa hóa học. Mối quan hệ định lượng của chu trình cacbon sẽ nâng cao hiểu biết về của chúng ta về quy luật chu trình cacbon toàn cầu.
————
Bản gốc: Hilton R G, West A J. Dãy núi, xói mòn và chu trình cacbon [J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2020, 1 (6): 284-299
Tư liệu tham khảo:
- Burdige D J. Burial of terrestrial organicmatter in marine sediments: A re-assessment[J]. Global Biogeochemical Cycles,2005, 19(4).
- Burke A, Present T M, Paris G, et al. Sulfur isotopes in rivers:Insights into global weathering budgets, pyrite oxidation, and the modernsulfur cycle[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 496: 168-177.
- Chamberlin T C. An attempt to frame a working hypothesis of thecause of glacial periods on an atmospheric basis[J]. The Journal of Geology,1899, 7(7): 545–584.
- Gaillardet J, Dupré B, Louvat P, et al. Global silicate weathering and CO2 consumptionrates deduced from the chemistry of large rivers[J]. Chemical geology, 1999,159(1-4): 3-30.
- Hilton R G. Climate regulates the erosional carbon export from theterrestrial biosphere[J]. Geomorphology, 2017, 277:118-132.
- Horan K, Hilton R G, Selby D, et al. Mountain glaciation drivesrapid oxidation of rock-bound organic carbon[J]. Science Advances, 2017, 3(10):1-8.
- Hülse D, Arndt S, Wilson J D, et al. Understanding the causes andconsequences of past marine carbon cycling variability through models[J].Earth-science reviews, 2017, 171: 349-382.
- Larsen I J, Montgomery D R. Greenberg H M. The contribution ofmountains to global denudation[J]. Geology, 2014, 42(6): 527-530.
- Petsch S T. Weathering of organic carbon // Holland H D, Turekian KK (Eds.).Treatise on Geochemistry[M]. Elsevier, 2014: 217-238.
- Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of late Cenozoicclimate[J]. Nature, 1992, 359(6391): 117-122.
- Torres M A, West A J, Li G. Sulphide oxidation and carbonatedissolution as a source of CO2 over geological timescales[J]. Nature, 2014,507(7492): 346–349.
- Torres M A, Moosdorf N, Hartmann J, et al. Glacial weathering,sulfide oxidation, and global carbon cycle feedbacks[J]. Proceedings of theNational Academy of Sciences of the United States of America, 2017, 114(33):8716-8721.
- West A J, Galy A, Bickle M. Tectonic andclimatic controls on silicate weathering[J]. Earth and Planetary ScienceLetters, 2005, 235(1-2): 211-228.
Hình 1: Giản đồ chu trình cacbon toàn cầu (Hülse và cộng sự, 2017). Khung màu đen cho biết các kho dự trữ carbon khác nhau trong hệ thống trái đất. Các số màu đen bên trong cho biết lượng carbon dự trữ (Pg C) trong thời kỳ tiền công nghiệp và các số màu đỏ cho biết thang thời gian cho mỗi kho chứa để kiểm soát nồng độ CO2 trong khí quyển. Mũi tên màu đen cho biết con đường chuyển giao carbon và thông lượng giữa các bể chứa.
Hình 2: Các phản ứng hóa học liên quan đến chu trình cacbon giữa khí quyển, thạch quyển và sinh quyển. CO2 chìm: (1) phong hóa khoáng silicat; (2) phong hóa khoáng cacbonat; (3) chôn vùi cacbon hữu cơ trong sinh quyển. Nguồn CO2: (4) Quá trình oxy hóa cacbon hữu cơ trong đá; (5-7) Quá trình phong hóa oxy hóa các khoáng chất pyrit-cacbonat (Torres và cộng sự, 2014)
Hình 3: Mối quan hệ giữa lưu lượng carbon và quy mô thời gian của chu kỳ carbon toàn cầu (được sửa đổi từ Hilton và West, 2020). Màu xanh lá cây tượng trưng cho chu trình cacbon hữu cơ và màu xanh lam tượng trưng cho chu trình cacbon vô cơ. Vòng tròn mở đại diện cho chu kỳ carbon ngắn hạn dưới 100.000 năm, bao gồm năng suất sơ cấp thuần, hô hấp và trao đổi khí-biển. Vòng tròn kín thể hiện chu kỳ carbon dài hạn hơn 100.000 năm.
Hình 4: Đặc điểm chu trình carbon trong lịch sử địa chất (Hilton và West, 2020). (A) Quan điểm cũ cho rằng quá trình khử khí núi lửa (nguồn cacbon) có thể được cân bằng với quá trình phong hóa khoáng silicat (bể chứa cacbon) và quá trình chôn lấp khoáng chất cacbonat (bể chứa cacbon). (B) Quan điểm mới cho rằng sự xói mòn và chôn vùi cacbon hữu cơ trong sinh quyển trên cạn cũng là những bể chứa cacbon quan trọng. Quá trình oxy hóa cacbon hữu cơ trên đá và quá trình oxy hóa khoáng sunfua-cacbonat và phong hóa cũng là những nguồn cacbon quan trọng, ảnh hưởng đến chu trình cacbon lâu dài. Màu xanh lam biểu thị thông lượng cacbon vô cơ, màu xanh lá cây biểu thị thông lượng cacbon hữu cơ và màu hồng biểu thị lưu trữ cacbon
Hình 5: Biểu đồ về mối quan hệ giữa tốc độ xói mòn vật lý và chuyển giao các-bon ở các lưu vực sông. (A) Mối quan hệ giữa tốc độ xói mòn vật lý và thông lượng phong hóa silicat. (B, c, d) Mối quan hệ giữa việc sản xuất trầm tích lơ lửng ở các con sông khác nhau trên thế giới và dòng xói mòn của cacbon hữu cơ trong sinh quyển, dòng oxi hóa cacbon hữu cơ trong đá và dòng thải CO2 do quá trình oxi hóa khoáng sunfua-cacbonat.