深碳觀測計劃是一項為期十年的科研項目,旨在調查地球中碳的儲量、運移、存在形式和起源。地球上超過90%的碳很可能存在于地球深部,深碳觀測計劃的核心任務是理解地球完整的碳循環過程——超出以往研究主要關注的大氣、大洋和淺地殼環境,拓展到包括地球深部在內的碳循環。通過十年的焦點研究,深碳觀測計劃的科學家在地球上碳的物理、化學和生物作用方面取得了重大發現。
中國工程院院刊《Engineering》發表《深碳觀測計劃——對地球內部碳的十年探索》。文章指出,為探究和開展涉及多學科的科學問題,深碳觀測計劃聯合全球超過1200名科學家,并將其分為極端物理和化學、庫藏與流量、深部能源和深部生命4個科學共同體來展開研究。文章詳細介紹了4個科學共同體的研究成果與發現,實現了對深碳科學全新的認識,這一過程也極大提高了全球科研合作的積極性。
一、概述
深碳觀測計劃(DCO)是一項為期十年的科研項目,旨在調查地球中碳的儲量、運移、存在形式和起源。地球上超過90%的碳很可能存在于地球深部,DCO的核心任務是理解地球完整的碳循環過程——超出以往研究主要關注的大氣、大洋和淺地殼環境,拓展到包括地球深部在內的碳循環。通過十年的焦點研究,DCO科學家在地球上碳的物理、化學和生物作用方面取得了重大發現。
為了探究涉及多學科的科學問題,DCO聯合了全球超過1200名科學家,把他們大致分為四個科學共同體:極端物理和化學、庫藏與流量、深部能源和深部生命(表1)。該項目同時強調了四個能鏈接各團體的交叉活動——數據科學、儀器使用、野外工作以及建模和可視化,同時,幾個跨領域的研究小組為整個DCO提供必要的支持與幫助。
除了科學上取得的進步,DCO還在全球范圍內創造了一個跨學科的、國際化的不朽遺產,即成功地在50多個國家建立了由地質學家、物理學家、化學家和生物學家組成的多樣化的、動態的、協同的科學共同體。特別地,DCO一直通過支持處于科研起步階段,但將會在接下來的幾十年里堅持探索、發現的科學家,來培養下一代從事深碳研究的研究員。
DCO的愿景、核心問題和科學目標最初是在2008年卡內基科學研究所舉辦的國際深碳循環研討會上提出的。這次研討會成功地向Alfred P. Sloan基金會提出:自2009年到2019年,建立一個為期十年的深部碳科學研究項目。Alfred P. Sloan基金會承諾在未來十年內向DCO提供共計5000萬美元的種子基金。DCO利用Alfred P. Sloan基金會的支持,從國際組織、國家科學機構、基金會和私營部門獲得了超過5億美元的支持。
二、極端物理和化學共同體
DCO極端物理和化學共同體致力于提升我們對碳在極端條件下的物理、化學行為的理解,如在地球深部和其他星球上所發現的極端環境。在我們對極端條件下礦物、巖漿和熔體中的碳以及含水流體的理解上,該團隊正在取得突破性的進展。DCO科學家發表了一系列關于高溫高壓下含碳礦物性質的新成果,包括碳酸鹽礦物、碳合物、干冰(CO2)及其包合物的結構、壓縮性和彈性性質。
其中一項發現是隨著溫度、壓力的升高,具sp3 雜化碳的相形成了由碳、氧組成的四面體配位。在常溫常壓下,CO2是線形分子;然而,在足夠高的壓力下,CO2轉變成由4個氧原子四面體配合碳原子形成的聚合框架結構。CO2致密集合態可能是行星內部碳潛在的儲庫。四面體配位的碳的穩定性具有深遠的意義,即這種碳可以取代硅酸鹽礦物中四面體配位的硅。這樣的取代機制已經被實驗所證實,指示了地球和其他行星內部碳潛在的庫藏。
DCO科學家開展了大量極端條件下碳酸鹽礦物性質的研究。在常溫常壓下,碳酸鹽礦物中的碳形成三角面狀結構單元。在高壓下,碳酸鹽礦物轉變為更致密的結構,在該結構中,碳四面體配位鏈接4個氧原子——該發現對深部碳循環中碳酸鹽礦物的穩定性和性質有重要意義。在極端條件下所開展的鐵-碳體系互補實驗提供了關于碳在地核中復雜作用的相互沖突的證據。巖漿海作用限定了碳的初始分布和深部碳循環進一步發展的條件。巖漿也是將碳從地球內部帶到表面的主要載體。
反之,碳通過誘發礦物中結構水的熔融和遷移來影響地球深部動力學過程。熔融作用也會對俯沖到地幔深處的碳的循環產生重要影響。再生洋殼的相熔融關系表明,俯沖板塊在轉換帶經歷熔融作用并脫去碳酸鹽組分,進而形成深部碳俯沖的屏障。近期實驗研究顯示,碳酸質液體為弧下淺部區域的碳循環提供了一個重要的潛在途徑。
在我們對于液態流體在深部碳循環中的作用的認識上,DCO取得了迅速的進展。近階段發展了許多熱力學模型來理解地球上、中地殼中的水-巖相互作用,但由于不清楚極端條件下水的介電常數,這一認識無法被延伸到更深的環境。
DCO科學家們通過運用第一性原理計算,獲得了極端條件下水的介電常數以及碳酸鹽在地球深部的運移情況,打破了這一阻礙。這些計算結果結合實驗觀測發展了地球深層水模型(DEW)。地球深層水模型的初步結果指示,有機碳在俯沖帶流體中起著重要作用,深部流體pH值的變化可導致金剛石的形成。碳在確定俯沖帶流體pH值這一問題上的意義現在可以被充分考量,這將大大影響揮發分和金屬的循環過程。
上述成果正在改變我們對全球地球化學輸運的認識。
三、庫藏與流量共同體
DCO庫藏與流量共同體致力于發現地球深部主要的碳庫,確定碳在各碳庫間遷移的速率與機制,評估地球總的碳儲量。其下屬的金剛石與地幔碳動力學研究組(DMGC),建立起了一個全球性的研究中心,旨在通過保存在金剛石中的獨特地質記錄來研究地球深部。
DMGC通過研究金剛石和形成金剛石的流體與熔體,來認識地球內部的碳在地質時間尺度上的遷移情況,以達到探索地球深部的目標。由于這種探索一定程度上取決于可使用的樣品以及樣品研究各方面的協同合作,DMGC正在開發已注冊樣品集和金剛石與金剛石包裹體的地球化學數據庫。
在寶石級金剛石中發現的天然金屬、金屬碳合物和還原性揮發分表明金剛石形成于地球深部金屬性液體環境,這對地球演化具有深遠意義。相反,某些富流體纖維狀金剛石則形成于俯沖板塊中的高鹽流體環境;這些研究數據顯示,俯沖作用、地幔交代變質作用和富流體金剛石的形成之間存在著重要的聯系,并指示源于俯沖板塊的流體對巖石圈地幔深部的組成有重要影響。
超深金剛石中含水林伍德石的發現為地幔轉換帶含水提供了直接證據,含水的地幔轉換帶很可能在巖漿活動和板塊構造上起著關鍵性的作用。
形成于地球表面之下780 km處的金剛石中鈣-鈣鈦礦的發現,是對地球第四富含礦物的首次直接觀測;金剛石中碳同位素的組成,以及其初始的CaSiO3結構,暗示著洋殼進入下地幔的循環作用。藍色含硼金剛石中含有礦物包裹體,表明這些金剛石形成于俯沖到下地幔的大洋巖石圈。其揭示了碳、水和其他物質從地殼到下地幔然后回到地球表面的超深的循環路徑。
庫藏與流量共同體下屬的地球深部碳脫氣研究組(DECADE)致力于準確測定全球通過火山排放到大氣圈中CO2的流量。為達成這一目標,DECADE開展了大量的野外工作,已經在全球150個最活躍的火山中的20個上安裝了CO2監測網。DECADE還開展了以實驗室為基礎的研究,重點通過使用氣體樣品和熔融包裹體,為排放到大氣中的碳提供經驗約束。
哥斯達黎加圖里亞爾瓦火山上的高頻氣體監測揭示了火山噴發的CO2前兆現象,這為改進火山噴發預報奠定了基礎。由DECADE成員領導的一個國際研究團隊證實:位于西南太平洋瓦努阿圖火山弧的安布里姆玄武質火山,是全球范圍內已知的前三大持久性釋放火山氣體的火山之一。越來越多的證據表明,大陸裂谷是火山和斷裂帶向地球表面釋放深部碳的主要源區。
對大西洋洋中脊橄欖石熔融包裹體的最新測量顯示,全球不同區域上地幔碳含量的變化接近兩個數量級,這將影響熔體的動力學過程、火山活動的類型和由地球脫氣而引起的大氣演化。在一項全球性的研究中,DCO科學家首次在碳酸鹽沉積物下沉到海底的火山弧區域發現更高
碳排放的證據[m(CO2)/m(Stotal ),此處m(CO2) 和 m(Stotal )分別代表CO2和硫的總量]。
綜合全球火山弧區域碳、氦同位素數據可知,全球火山氣體中碳同位素的平均組成明顯重于典型的洋中脊玄武巖;該結果表明,地殼灰巖層是火山碳的重要來源,這對理解碳返回地幔深部的過程和推測地球古氣候具有重要的意義。
深時尺度上的地球深部碳循環可視化建模對實現DCO總目標意義重大。對俯沖帶碳流量的再評估表明,俯沖沉積物和大洋板塊中幾乎全部的碳都將進入流體或熔體中,只有相對少部分的碳被返還到對流的地幔。板塊構造的重建在地質時間尺度上建立起了深部碳循環和大氣CO2濃度之間的關系。
數值模型給出的揮發分對在軟流圈中運移的反應熔體的作用顯示,盡管CO2 和水濃度較低,但是它們對巖漿作用的程度與巖漿形成的方式有著重要的控制作用,同時還影響著熔體遷移的動力學過程以及碳在巖石圈-軟流圈邊界處的停滯效應。這些發現對地球深部脫氣過程意義重大。
四、深部能源共同體
DCO深部能源共同體致力于發展對調節地殼與地幔中非生物成因的碳氫化合物和其他有機物種產量以及產出速率的環境和過程的基本認識。這項研究正在改變我們對甲烷(CH4 )的認識,包括對其成因、起源和形成溫度的全新的理解。儀器的革命性進步使我們能區分非生物成因甲烷和生物成因甲烷。
Panorama質譜儀是第一臺能在自然豐度下分辨兩種質量數為18的甲烷雙重取代同位素體(二元同位素體)—— 13CH3D和 12CD2H2 的儀器。
在一篇由Edward Young和來自8個國家14個研究所的23名研究員合作的文章中,報道了首次完成對甲烷雙重取代同位素體的測定,氣體樣品來源于不同的地質背景,包括大型天然氣田、超基性雜巖以及來自前寒武紀克拉通地下礦區深部的古水體。如果系統達到熱力學平衡,那么13CH3D和 12CD2H2 將作為兩個獨立的分子溫度計。
如果系統沒能達到熱力學平衡,那么就不可以使用這種方法標定溫度;但是,這些數據可以提供區分非生物成因和生物成因甲烷的方法。不平衡體系中的同位素比值可以提供甲烷形成機制的信息,并可作為示蹤劑幫助我們理解其混合、擴散、運動和其他過程。
在深海熱液噴口噴出的熱泉中普遍存在著溶解的甲烷,它們是生活在海底的微生物群落的潛在
碳源。甲烷二元同位素分析表明,非生物成因的海底熱泉甲烷形成于熱的(270~360 ℃)、深的、未接受沉積的洋殼。這一重大發現是由在DCO支持下開發的可調諧紅外激光吸收光譜儀實現的。
通過該儀器,從大量的天然樣和人工培養樣中獲得的微生物甲烷產生了不平衡的二元同位素信號。二元同位素異常對確定甲烷的生物地球化學源區、富集情況和總量估計提供了約束。
計算研究發現了一種形成非生物成因甲烷的新機制:在納米微孔控制的化學反應中,二氧化碳甲烷化的限制作用將使熱力學平衡向生成甲烷的方向移動。這種產生非生物成因甲烷的機制可能適用于海水和洋殼的相互作用過程,并且能解釋某些深海熱液噴口系統中甲烷的來源。
科研人員開展了大量關于非生物成因甲烷形成機制的實驗研究,實驗涉及相當廣的環境條件,包括超基性巖蛇紋石化過程中形成的還原環境。通過同位素標記的CO2,部分實驗證實早期認為CH4 形成于低溫蛇紋石化過程的觀點是錯誤的。但是,其他實驗表明在低溫、存在足量氫氣(H2)的條件下,CO2還原將產生大量的甲烷。類似地,在蛇紋石化的超基性巖中,甲烷可以在低溫下由含釕(Ru)鉻鐵礦催化產生。
DCO研究人員在全球開展了蛇紋石化過程中H2 和CH4 產生的野外調研工作。例如,國際大洋發現計劃(IODP)357航次科考:亞特蘭蒂斯地塊蛇紋石化和生物活動在大西洋洋中脊側翼、跨大西洋地塊處形成的一個橫斷面。此次科考考察了蛇紋石化過程在驅動海底熱液系統形成、維持微生物群落穩定和固碳等方面的作用。
在一篇具重大意義的
論文中,DCO科學家記錄到在大洋巖石圈中通過非生物途徑合成的氨基酸。非生物合成氨基酸形成于亞特蘭蒂斯地塊下部蛇紋石化改造作用的晚期階段。這一發現對于生命起源、古新陳代謝作用以及現今深部生物圈功能有著重要的意義。
前寒武紀克拉通中古地下水如今被認為是H2的重要來源,這一觀點支持地下生物圈能達到幾千米的深度。然而,前寒武紀大陸地殼對全球H2產量的貢獻被大大低估。如果同時考慮輻射分解作用和水化反應產生的H2,那么由前寒武紀大陸巖石圈產生的H2的產率應與海洋系統的估計值相當。結合前寒武紀大陸巖石圈H2的產量,現有的對全球H2的估計值應該翻倍,從而增加地殼可居住體積。
氫分子的研究不僅僅局限于地球環境。DCO科學家也是發現從土衛二上逃逸的分子氫和高級碳氫化合物團隊的成員。土衛二上有一層冰蓋層覆蓋著下部海洋。氫分子的發現表明,外星大洋底部的水與巖石正在發生反應。土衛二上氫氣分子的形成環境很可能與地球洋底熱液噴口系統類似。而由土衛二釋放的復雜含碳化合物的發現,揭示了在衛星的大洋中也許存在生命必需的原始成分。
五、深部生命共同體
深層生命共同體致力于評估深部微生物與病毒所屬生物圈的性質和范圍。該團隊拓寬了我們對于地球微生物與病毒生物圈的認知水平,調查了這些生態系統存活與演化的相互作用過程。
DCO聯合了各領域科學家從不同角度來探索深部生命:①研究大陸、洋底沉積物與巖石表層之下的生物圈;②探索基因組揭示的生命的極限與生命可能的起源;③調查深部生命對一系列極端物理化學條件的響應。
參加了IODP 337航次科考“Shimokita下深部煤層生物圈”的DCO研究員探究了沉積物中生物圈的下邊界。他們在海底2.5 km之下的Miocene煤層中發現了能產生甲烷的微生物生態系統。這些生物集群可能是2000萬年前埋藏在陸源沉積物中的微生物的后代。
盡管這些微生物的細胞數量很低,但是它們的活性生長速率卻從數月到超過100年不等,其中一些生長最緩慢的微生物的生長速率是由直接培養觀測得到的。DCO研究員在南太平洋環流區域洋底75 m之下的沉積物中發現了好氧微生物群落,這一發現表明在15%~44%的太平洋沉積物和9%~37%的全球洋底沉積物中可能存在氧氣和好氧生物群落。
具有能夠承受住嚴酷壓力等地下條件特性的物種,如深古菌門,或許是那些常見物種的原始種,它們在碳循環中起著重要的作用。
因此,能在如高溫、富氫的Mid-Cayman Rise熱液噴口系統等極端環境中存在的微生物群落,對我們理解深部生命的極限非常重要。例如,深古菌門的微生物種是全球大洋下部分布最廣、數量最多、種類最豐富的古生菌。一項宏基因組研究表明,深古菌亞群具有多種新陳代謝方式,而這些代謝產物反過來又為異養、能產生甲烷的生物群落提供原料。
另一項宏基因組研究發現,微生物種不同的進化壓力與關系到營養攝取、生物膜形成和病毒入侵的基因有關,這一發現與不同地球化學背景下不同熱液噴口區顯現出具有明顯差異的演化歷程的現象相一致。
基于對全球77個不同海洋生態系統的古生菌和細菌的觀察,DCO研究人員發現甲烷滲出區群落的多樣性低于其他生態系統的群落。存活下來的生物組合反映了甲烷滲出區最有利的新陳代謝方式,并且將滲出區微生物系與其他海底微生物系區分開來。盡管在全球甲烷產區僅有少數種類的嗜甲烷菌存在,但這些微生物可能大大影響了海洋中甲烷的含量。
DCO也對大陸深部生物圈進行了研究。DCO科學家通過收集全球大陸地下區域的細胞濃度和微生物多樣性數據,估計大陸地下細胞總數為2×1029 ~6×1029 個,所發現的細菌比深海古生菌更豐富,其群落組成與所處環境巖性相關。
研究人員對古威特沃特斯蘭德盆地的地下巖石自養微生物生態系統(SLiME)進行了研究,他們驚奇地發現,以硫為能量來源的自養反硝化菌是主要的微生物群。進一步分析表明,具有多種代謝方式的群落的共存使那些非典型代謝反應處于優勢,并使整個生態系統趨于穩定。
模型還表明,原料的量而非溶氧量限制了南非1.4 km深礦井中具12 300年歷史的古大氣降水形成的裂隙水中真核生物的數量。深部地下油氣資源開發過程中與水壓裂隙關聯出現的微生物群落為探究深部陸相生物圈提供了線索。存在于地表以下2500 m處的微生物表現出耐鹽性、無電子受體的新陳代謝能力和活躍的病毒感染性。
通過DCO深部生命普查(CoDL),DNA測序結果為碳循環、深部生物圈演化以及大洋、大陸生態系統和環境的關系等問題提供了有價值的信息。例如,CoDL 的研究人員利用16S DNA測序技術,鑒定了來自Juan de Fuca Ridge海床以下280 m處的海底微生物觀測站的8個礦物中的細菌和古生菌種類。他們證實了不同的群落積聚于不同的礦物,而群落的成組則是由礦物化學實現的。
DCO極端生物物理研究組從一個全新的角度去研究存在于極端環境中的生命。通過關注分子水平下生物對極端條件的適應情況,研究人員正在提高我們對組成生物結構的物理化學基礎的認識,而這些物理化學基礎定義了生命的極限。
六、產出與未來機遇
DCO正在整合四個科學共同體的研究,以實現對深碳科學全新的認識并充分歸納DCO所取得的成果。該過程旨在提高全球科研合作的積極性。產出的成果與開展的活動包括跨團隊的研究項目,如生物與俯沖作用和含碳礦物的演化,以及研討會、學術
會議、可視化成果、期刊和專業書籍。這些活動的高潮是“深碳2019——啟動深碳科學的下一個十年”國際
會議。
為了幫助啟動深碳科學的下一個十年計劃,DCO科學家正在開展一系列的活動,這些活動將延伸甚至超越2019年最初十年計劃的頂峰。作為DCO國際科學會議的延續,關于深碳學科的戈登研究會議計劃每兩年舉辦一次。為處于科研初期的科學家舉辦的兩年一度的戈登深碳科學研討會可以作為DCO夏令營和DCO科研早期科學家研討會的延伸。
由德國科研基金會支持的,旨在研究極端條件下碳酸鹽性質的高溫高壓碳酸鹽(CarboPaT)研究組,將繼續為德國的深碳研究提供科研
平臺。在英國,自然環境研究委員會已經建立起了一個旨在研究宜居星球揮發分、地球動力學和固體地球的科研項目。
由DCO研究人員領導的歐洲
清潔能源科學研究組得到了歐盟地平線2020計劃的支持。上海交通大學新成立的“深部生命研究中心”和德國“洋底——地球未知界面”研究組將為接下來十年的深部生命研究提供平臺。上述以及其他組織和科研活動將會推動下一個十年深碳科學研究的發展。
七、總結
2009年,DCO是一個雄心勃勃但成敗未知的科研項目。從那時起,DCO已經開始發展成為一個由1200多名科學家組成的遍布全球、超越傳統學科限制的科學網絡。
DCO是一個科學孵化器,在它的支持下啟動了全新的科研小組、科學團隊、國際科學合作關系、重大科研項目、野外科考、科學儀器和公司。最重要的是,DCO在多元、動態、跨學科的科學家與科研團隊之間留下了一個永恒的遺產。DCO管理和團隊建設的創新對該項目取得成果起了關鍵作用。基于其在深碳科學領域取得的突破性進展,DCO可以作為解決大規模、跨學科和國際性科學問題的有效模式。
本文來自微信公眾號:中國工程院院刊(ID:CAE-Engineering),作者:Craig M. Schiffries, Andrea Johnson Mangum, Jennifer L. Mays, Michelle Hoon-Starr, Robert M. Hazen,改編原文:The Deep Carbon Observatory: A Ten-Year Quest to Study Carbon in Earth[J].Engineering,2019,5(3):372-378.
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