麻省理工學院的研究人員發現，板塊構造形成的一種黏土礦物–埃米土能夠有效固碳，進而影響全球氣候長達數千年之久。他們的研究結果表明，現在經常被用來治療腹瀉的蒙脫石在引發過去的冰河時期發揮了重要作用，並為未來減緩氣候變遷提供了潛力。

一種被稱為蒙脫石的黏土能有效捕獲​​有機碳，並能在數百萬年內幫助緩衝全球暖化。麻省理工學院的地質學家發現，海底一種名為”smectite”的黏土礦物具有令人驚訝的強大固碳能力，可持續數百萬年。在顯微鏡下，一粒黏土就像手風琴的褶皺。眾所周知，這些褶皺是有機碳的有效捕獲器。

捕碳黏土的構造起源

現在，麻省理工學院的研究小組已經證明，碳捕集黏土是板塊構造的產物： 當海洋地殼擠壓大陸板塊時，會將岩石帶到地表，隨著時間的推移，這些岩石會風化成包括泥質黏土在內的礦物。最終，黏土沉積物沉澱回海洋中，礦物質在其微小的褶皺中捕獲死去的生物體。這樣，有機碳就不會被微生物消耗，並以二氧化碳的形式排放回大氣中。

經過數百萬年後，蒙脫石會產生全球效應，幫助整個地球降溫。透過一系列分析，研究人員發現，在過去的5 億年裡，埃米板岩很可能是在幾次大的構造事件之後產生的。在每次構造事件中，黏土都捕獲了足夠的碳，從而冷卻了地球，並引發了隨後的冰河時期。

這些發現首次表明，板塊構造可以透過產生碳捕集黏土引發冰期。

麻省理工學院的地質學家發現，構造活動產生了一種黏土，這種黏土在數百萬年的時間裡，可以在其微觀褶皺中（如圖所示）封存數量驚人的有機碳。圖片來源：由波士頓大學Anthony Priestas 提供

科學家相信，蒙脫石能持續固碳，為人類的氣候暖化活動提供一個天然的、雖然作用緩慢的緩衝器。

麻省理工學院地球、大氣和行星科學系研究生約書亞-默里（Joshua Murray）說：”這些不起眼的粘土礦物的影響對行星的宜居性有著廣泛的意義。這些粘土甚至可能在現代應用中抵消人類排放到大氣中的一些碳。”

穆雷和麻省理工學院地質學教授奧利佛-賈古茲於11月30日在《自然-地球科學》雜誌上發表了他們的研究成果。

構造與氣候變遷之間的聯繫

這項新研究是對該研究小組先前工作的跟進，先前的工作表明，地球上的每一次大冰期都可能是由熱帶地區的構造事件引發的。研究人員發現，每一次構造事件都會使被稱為蛇綠岩的海洋岩石暴露在大氣中。他們提出的觀點是，當熱帶地區發生構造碰撞時，蛇綠岩會發生某些風化作用，例如暴露在風、雨和化學作用下，將岩石轉化為各種礦物，包括黏土。

莫瑞解釋說：”這些黏土礦物會以不同的方式影響氣候，這取決於你創造的種類。”

當時，人們還不清楚這種風化作用會產生哪些礦物質，也不清楚這些礦物質是否以及如何直接導致地球降溫。因此，儘管板塊構造和冰期之間似乎存在聯繫，但兩者之間的確切觸發機制仍是個問題。

在新的研究中，研究團隊希望了解他們提出的構造熱帶風化過程是否會產生碳捕獲礦物質，其數量是否足以引發全球冰河時期。

模擬研究

研究團隊首先查閱了地質文獻，彙編了有關主要岩漿礦物隨時間風化的方式以及這種風化可能產生的粘土礦物類型的數據。然後，他們將這些測量數據應用到不同岩石類型的風化模擬中，這些岩石類型在構造碰撞中暴露無遺。

賈古茲說：”然後，我們研究這些岩石類型在風化和熱帶環境影響下碎裂時會發生什麼情況，以及由此形成了哪些礦物。”接下來，他們將每一種風化後的”最終產品”礦物輸入到地球碳循環的模擬中，以了解特定礦物在與有機碳（如死亡生物的碎屑）或無機碳（以大氣中二氧化碳的形式）相互作用時可能產生的影響。

從這些分析中，有一種礦物的存在和影響是顯而易見的，那就是蒙脫石。這種黏土不僅是熱帶構造作用的自然風化產物，而且在捕獲有機碳方面也非常有效。從理論上講，蒙脫石似乎是構造運動和冰期之間的可靠聯繫。

但是，是否真的有足夠的黏土引發了前四次冰期呢？理想情況下，研究人員應該在追溯到每次全球變冷時期的古岩層中發現蒙脫石，從而證實這一點。

“不幸的是，當粘土被其他沉積物掩埋時，它們會被煮熟一些，因此我們無法直接測量它們，”莫瑞說。”但我們可以尋找它們的指紋。”

研究團隊推斷，由於蒙脫石是蛇綠岩的產物，這些海洋岩石也含有鎳和鉻等特徵元素，這些元素會保存在古代沉積物中。如果過去曾存在過泥質岩，那麼鎳和鉻也應該存在。

為了驗證這個想法，研究團隊查閱了一個資料庫，其中包含數千種在過去5 億年中沉積下來的海洋沉積岩。在這段時間裡，地球經歷了四次不同的冰期。研究人員觀察了每個冰期周圍的岩石，發現鎳和鉻的含量大幅上升，並由此推斷，當時一定也存在鈉長石。

蒙脫石的長期重大影響

據他們估計，這種黏土礦物可能會使有機碳的保存率提高不到十分之一。從絕對值來看，這是一個微不足道的數字。但是，經過數百萬年的時間，他們計算出黏土累積和封存的碳足以引發四大冰期中的每一次。

賈古茲說：「我們發現，要對氣候產生巨大影響，其實並不需要太多這種物質。在過去的300 萬到500 萬年裡，這些黏土也可能在一定程度上導致了地球的降溫，那時人類還沒有參與進來。在沒有人類的情況下，這些粘土可能會對氣候產生影響。只是這個過程非常緩慢。”

賓州州立大學地球科學教授Lee Kump 說：「賈古茲和默里的工作很好地證明了考慮全球碳循環的所有生物和物理成分是多麼重要，所有這些成分之間的反饋控制著大氣溫室氣體濃度的所有時間尺度，從大氣二氧化碳水平的每年升降到數百萬年來從冰室到溫室的波動。」他沒有參與這項研究。

潛在應用與未來研究

能否有意識地利用軟岩來進一步降低全球的碳排放量？莫瑞認為有一定的潛力，例如，可以加固永凍土區等碳庫。據預測，氣溫升高將使永久凍土融化，並暴露出埋藏已久的有機碳。如果能在這些地區使用黏土，黏土就能防止這些裸露的碳逃逸到大氣中，並使大氣進一步變暖。

賈古茲說：『如果你想了解大自然是如何運作的，你就必須從礦物和晶粒的角度去了解它。這也是我們為這場氣候災難找到解決方案的前進方向。如果你研究這些自然過程，很有可能會發現一些真正有用的東西。”

參考文獻約書亞-默里（Joshua Murray）和奧利弗-賈古茲（Oliver Jagoutz）於2023年11月30日在《自然-地球科學》雜誌上發表了題為”通過有機碳保存的蛇綠岩風化作用調節古生代的冷卻”的文章。

DOI: 10.1038/s41561-023-01342-9

編譯來源：ScitechDaily