研究发现，板块构造产生的矿物具有全球冷却效应

麻省理工学院的地质学家发现，海底一种叫做蒙脱石的粘土矿物，具有令人惊讶的强大能力，可以在数百万年内封存碳。

在显微镜下，粘土的单粒类似于手风琴的褶皱。众所周知，这些褶皱是有机碳的有效陷阱。

现在，麻省理工学院的研究小组已经证明，碳捕获粘土是板块构造的产物：当海洋地壳压碎大陆板块时，它可以将岩石带到地表，随着时间的推移，这些岩石会风化成包括蒙脱石在内的矿物。最终，粘土沉积物沉淀回海洋，矿物质将死去的生物体困在微观褶皱中。这样可以防止有机碳被微生物消耗并以二氧化碳的形式排回大气中。

在数百万年的时间里，蒙脱石可以产生全球效应，帮助整个地球降温。通过一系列分析，研究人员表明，蒙脱石可能是在过去5亿年的几次重大构造事件之后产生的。在每次构造事件中，粘土捕获了足够的碳来冷却地球并引发随后的冰河时代。

这些发现首次表明板块构造可以通过产生碳捕获蒙脱石来触发冰河时代。

今天，这些粘土可以在某些构造活跃的地区找到，科学家们认为蒙脱石继续封存碳，为人类的气候变暖活动提供了一个天然的，尽管作用缓慢的缓冲。

“这些不起眼的粘土矿物的影响对行星的宜居性具有广泛的影响，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究生Joshua Murray说。“这些粘土甚至可能在现代应用，以抵消人类排放到大气中的一些碳。

Murray和麻省理工学院地质学教授Oliver Jagoutz今天在 Nature Geoscience上发表了他们的研究结果。

清澈而有现存的粘土

这项新研究跟进了该团队之前的工作，该工作表明，地球上每个主要冰河时代都可能是由热带地区的构造事件引发的。研究人员发现，这些构造事件中的每一个都将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，蛇绿岩会经历某些风化效应，例如暴露在风、雨和化学相互作用中，从而将岩石转化为各种矿物，包括粘土。

“这些粘土矿物，取决于你创造的种类，以不同的方式影响气候，”默里解释道。

当时，尚不清楚哪些矿物质可以从这种风化效应中产生，以及这些矿物质是否以及如何直接有助于地球降温。因此，虽然板块构造和冰河时代之间似乎存在联系，但一个可以触发另一个的确切机制仍然存在疑问。

通过这项新研究，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，以及足以引发全球冰河时代的数量。

该团队首先查看了地质文献，并汇编了有关主要岩浆矿物随时间变化的方式以及这种风化可以产生的粘土矿物类型的数据。然后，他们将这些测量结果用于对已知在构造碰撞中暴露的不同岩石类型的风化模拟。

“然后，我们看看这些岩石类型由于风化和热带环境的影响而分解时会发生什么，以及由此形成的矿物质，”Jagoutz说。

接下来，他们将每种风化的“最终产品”矿物插入地球碳循环的模拟中，以观察给定矿物可能与有机碳相互作用，例如死亡生物的碎片，或与无机物相互作用，以大气中的二氧化碳形式。

从这些分析中，有一种矿物具有明显的存在和作用：蒙脱石。粘土不仅是热带构造的自然风化产物，而且在捕获有机碳方面也非常有效。从理论上讲，蒙脱石似乎是构造和冰河时代之间的牢固联系。

但是，是否真的存在足够的粘土来触发前四个冰河时代？理想情况下，研究人员应该通过在可追溯到每个全球冷却时期的古代岩层中发现蒙脱石来证实这一点。

“不幸的是，由于粘土被其他沉积物掩埋，它们会被煮熟，所以我们无法直接测量它们，”默里说。“但我们可以寻找他们的指纹。

构建缓慢

研究小组推断，由于蒙脱石是蛇绿岩的产物，这些海洋岩石还含有镍和铬等特征元素，这些元素将保存在古代沉积物中。如果过去存在蒙脱石，镍和铬也应该存在。

为了验证这个想法，研究小组查看了一个数据库，其中包含过去5亿年沉积的数千种海洋沉积岩。在这段时间里，地球经历了四个独立的冰河时代。通过观察这些时期周围的岩石，研究人员观察到镍和铬的大量峰值，并由此推断蒙脱石也一定存在。

根据他们的估计，粘土矿物可以使有机碳的保存量增加不到十分之一。从绝对值来看，这是一个微不足道的数量。但经过数百万年的努力，他们计算出粘土积累的碳足以引发四个主要冰河时代中的每一个。

“我们发现，你真的不需要太多这种材料来对气候产生巨大影响，”Jagoutz说。

“在人类参与之前，这些粘土也可能在过去300万到500万年中贡献了地球的一些冷却，”Murray补充道。“在没有人类的情况下，这些粘土可能会对气候产生影响。这是一个如此缓慢的过程。

“Jagoutz和Murray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，”宾夕法尼亚州立大学地球科学教授Lee Kump说，他没有参与这项研究。“所有这些组成部分之间的反馈控制着所有时间尺度上的大气温室气体浓度，从大气二氧化碳水平的年度上升和下降到数百万年来从冰室到温室的摆动。

是否可以有意识地利用蒙脱石来进一步降低世界的碳排放量？Murray看到了一些潜力，例如支撑碳库，如永久冻土区。预计气温升高会融化永久冻土并暴露长期埋藏的有机碳。如果蒙脱石可以应用于这些区域，粘土可以防止这些暴露的碳逃逸到大气中并进一步变暖。

“如果你想了解自然界是如何运作的，你必须在矿物和谷物尺度上理解它，”Jagoutz说。“这也是我们为这场气候灾难寻找解决方案的前进方向。如果你研究这些自然过程，你很有可能会偶然发现一些真正有用的东西。

这项研究部分由美国国家科学基金会资助。