古大气CO2浓度重建方法技术研究现状

温室气候引起的全球气候变暖越来越引起人们的关注,大气中不断上升的CO2浓度被认为是导致气候变暖的主要因素.地史时期大气CO2浓度变化与温室气候可能存在类似的关系,可提供参考,因而古大气CO2浓度重建是首要任务.总结近年来古大气CO2浓度重建的进展,重点介绍GEOCARB模型模拟、植物叶片气孔参数和同位素指针的方法和技术.GEOCARB模型是反映全球古大气CO2浓度长期变化的碳相关模型;气孔参数方法是使用气孔比例来估计古大气CO2浓度;同位素指针包括成壤碳酸盐、浮游植物有机质生物标记物、钙质浮游有孔虫、古苔藓植物等,其中成壤碳酸盐碳同位素方法使用最为广泛.国内只是在叶片参数研究方面有一些进展,古大气CO2浓度重建工作任重而道远.     

用树轮δ13C重建1685年以来的大气CO2浓度变化趋势

对采自浙江西天目山地区的3株柳杉树盘,交叉定年后,测定了3株树轮δ13C的年序列,分析了3株树轮δ13C序列中所含的共同环境变化信息。用二项式拟合法去除气候因素引起的3个δ13C序列的高频变化,得到3个低频变化序列。分析了theLowDome冰芯记录的大气CO2浓度与树轮δ13C序列低频变化趋势的关系,建立了相应的转移函数,重建了天目山地区1685年以来大气CO2浓度变化。结果表明:用3株树轮δ13C序列重建的结果有较好的一致性,并与南极冰芯的记录及前人研究结果有很好的吻合。这一结果表明用同一地区不同树木个体的树轮δ13C序列的低频变化序列可以重建出基本一致的大气CO2浓度变化历史。     

大气CO2浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响

近几十年来,人类活动带来的化石燃料燃烧和工业过程引起了全球大气CO2浓度的显著增长,带来了一系列生态和环境问题,其中对地表蒸散发的影响就是一个重要方面.地表蒸散发及其分量植被蒸腾是能量和水量平衡的重要组分,直接影响着陆气相互作用和水循环系统.由于大气CO2浓度增加可通过减小叶片气孔导度从而抑制植被蒸腾,为量化这一影响,基于碳水耦合的蒸散发模型PML-V2和CMIP6的大气CO2浓度时空序列驱动数据,分别进行了考虑和不考虑大气CO2浓度逐年增加情况下的2组植被蒸腾模拟试验.通过对比2组结果分析了2001-2014年大气CO2浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响.研究结果显示,在季节上,夏季大气CO2浓度增加对植被蒸腾的抑制作用最小,冬季最大;在数量级上,2001-2014年大气CO2浓度引起植被蒸腾变化在0～5％;不同生态系统比较而言,森林、耕地和灌丛生态系统受CO2浓度增加引起植被蒸腾的减小量较大,14年间减小量为15～20mm/a,而草地下降最小,约5 mm/a;在空间上,我国中东部受影响最大;CO2浓度引起植被蒸腾变化最敏感的区域是我国东南部地区.     

定量重建黄土高原末次间冰期土壤呼吸CO2浓度

成壤碳酸盐气压计(paleosol carbonate CO₂ barometer)是定量恢复古大气CO₂浓度的重要方法, 但是目前重建结果仍然存在较大的不确定性, 主要原因是土壤呼吸产生CO₂(简称S (z))的数值分布范围较大。S (z)在古土壤中不能直接测量, 它受古降水影响具有明显的空间分异特征。中国黄土高原广泛分布的成壤碳酸钙结核是土壤呼吸作用和淋溶再沉淀的产物, 具有恢复长时间序列古大气CO₂浓度的潜力, 但是目前各指标方法恢复的S (z)存在差异。本研究利用黄土高原7个末次间冰期(对应古土壤S₁层)剖面的成壤碳酸钙结核恢复黄土高原S (z)值的空间变化规律, 并对比不同指标方法恢复的S (z)。结果显示: 黄土高原S (z)呈现出南部高于北部的特征, 南部剖面S (z)的平均值为848±170ppm, 北部剖面S (z)的平均值为539±87ppm。这个趋势与暖季平均降水量的空间变化趋势一致。本研究确定黄土高原S (z)的空间变化范围, 为利用黄土碳酸盐重建古大气CO₂浓度提供可靠的参数限制。

     

慕士塔格夏季近地表大气CO2浓度变化特征

利用CIRAS SC型号的CO₂和H₂O分析仪, 对东帕米尔高原慕士塔格地区2003年夏季(6~8月)近地表大气CO₂浓度和水汽进行精确持续观测, 给出了我国内陆高原大气近地表 CO₂ 浓度夏季的变化特征. 观测表明, 该地夏季CO₂浓度呈整体下降趋势, 并因受陆地植被光合作用、呼吸作用和土壤微生物等的影响, 有明显的日周期变化. 在短时间尺度上, 其变化趋势与瓦里关站点观测结果基本一致, 与Mauna Loa站点观测结果差别明显. 通过考察当地 CO₂浓度与大气水汽的关系, 发现两者具有很显著的反相关性. 上述现象揭示, 慕士塔格近地表大气CO₂含量的变化不仅受植物光合作用的影响,同时大气中水汽的含量在控制CO₂含量方面起着重要作用.     

新疆沙尔湖中侏罗世狭叶拟刺葵（Phoenicopsis angustifolia Heer）的古环境意义

新疆沙尔湖煤田中侏罗统西山窑组产出大量茨康类植物化石.通过选取4块狭叶拟刺葵Phoenicopsis angustifolia Heer化石作为研究对象,在详细揭示其角质层微细构造、统计气孔参数并测定其碳同位素组成的基础上,定量重建研究区中侏罗世早期阿林期至巴柔期古大气CO₂浓度、古温度、古海拔高度,测算该植物的水分利用率.结果表明,狭叶拟刺葵平均气孔指数值5.90%,基于气孔比率法获得的古大气CO₂浓度为（1240.16±122.75）×10-6,该值处于GEOCARB Ⅲ碳平衡模型可信误差范围内.测得植物化石角质层碳同位素δ13C_p平均值-23.07‰,计算出该植物水分利用效率272.06 mmol/mol,重建沙尔湖中侏罗世早期平均温度16.8~20.7℃,古海拔高度196.7 m.整体而言,新疆沙尔湖地区在中侏罗世早期属于一种高CO₂浓度、气候温暖湿润的环境.      

从树轮纤维素δ13C序列看树木生长对大气CO2浓度变化的响应

在新疆昭苏树轮碳同位素组成研究的基础上，初步分析了近280a以来云杉内外CO2浓度比（Ci/Ca)，云杉内部CO2浓度（Ci)和水分利用效率（A／g)的变化，结果表明，在整个分析时段内Ci/Ca相对恒定在0．52左右，暗示树木生长对大气CO2浓度升高的基本响应策略；Ci和A/g都有较明显的升高趋势，说明可能有更多的碳被固定在树木之中，进一步分析表明，它们的这种趋势与大气CO2浓度变化有关，从另一个侧面证明了人类活动释放的碳有一部分被树木吸收。     

岩溶水系统对大气CO2的潜在影响——基于热力学的研究

认识不同条件下岩溶水释放或吸收CO2的反应过程是研究碳酸盐岩对碳循环响应的前提和基础。本文从吉布斯自由能的热力学原理出发,对全球不同岩溶地区162组岩溶水(河水、溪水、湖水等)进行了热力学研究,结果显示:1)河水、溪水、湖水和洞穴滴水等岩溶水所处的环境因方解石矿物沉积而释放CO2成为大气CO2一个潜在的源;2)地下水在所处的环境下由于方解石的溶解而吸收CO2,成为大气CO2一个潜在的汇;3)少数出露点的泉水所处的环境既可发生方解石的溶解而吸收CO2,成为大气CO2的潜在汇,也可发生方解石的沉积而释放CO2,成为大气CO2的潜在源;4)在洪水期,泉水的水化学特征变化并未导致对大气CO2潜在贡献在源汇之间的跨跃性转变。162组岩溶水数据中,所有河水与溪水皆无一例外地在释放CO2。结果表明,从吉布斯自由能的热力学原理出发,研究岩溶水系统对大气CO2潜在源汇的贡献,没有条件约束,是一种较好的途径。     

Quantitative Analysis of Paleoatmospheric CO2 Level Based on Stomatal Characters of Fossil Ginkgo from Jurassic to Cretaceous in China

A better theoretical and practical understanding of the linkage between paleo-CO2 and climate during geological history is important to enhance the sustainable development of modern human society. Development in plant physiology since the 1980s has led to the realization that fossil plants can serve as a proxy for paleoatmosphere and paleobiosphere. As a relict gymnosperm with evolutionary stasis, Ginkgo is well suited for paleoenvironmental reconstruction. This paper analyzes fossil Ginkgo species from integrated strata in the north of China using anatomic data of plant physiology. Using stomatal parameters, a trend for the paleo-CO2 level during the Early-Middle Jurassic and the Early Cretaceous was obtained, which is consistent with the estimates by GEOCARB. The trend is also similar to that of Mean Global Surface Temperature in geological time. Compared with three other atmospheric CO2 concentration parameters, the trend of paleo-CO2 level based on the stomatal parameter of the fossil Ginkgo specimens from three contiguous strata is more exact.     

青藏高原表土孢粉定量重建的气候参数探讨

孢粉在古环境研究中具有重要价值,尤其是在重建古气候方面,既可以定性地恢复过去的植被类型变化,也能定量地重建气候变化规律,是古气候研究中最常用、较可靠和较成熟的环境代用指标。现代类比法是探讨表土孢粉与气候定量关系的方法之一,适用性较为广泛。本文利用青藏高原及其毗邻地区495个现代表土样点的孢粉谱,及现代气象站点器测资料,采用现代类比法得到气候参数的模拟值,并分析模拟值与气候参数观测值之间的关系。结果表明:相关性最高的气候因子是年均降水(r=0.894),其次为年均相对湿度(r=0.863)和年均蒸发量(r=0.801),最低的是干燥度(r=0.18)。因此在重建古气候时降水的可信度较高,相对湿度和蒸发量也具有一定的可信度。并选用相关性较好的年均降水指标,分析其与11个孢粉类型之间的相关性,然后将相关性较高的孢粉组合与降水之间建立孢粉-气候函数模型,用以重建该地区过去气候变化。     

Progress of Tracing Fossil Fuel CO2 by Radiocarbon in Chinese Cities

The main cause of increase in atmospheric CO₂ concentration is the carbon emissions from fossil fuel combustions and so on. Cities are regarded as the hot spots of carbon emissions. On the basis of obtaining the levels and spatial-temporal variation characteristics of atmospheric fossil fuel CO₂ （CO_2ff）， we can provide scientific data for government policy-making and international negotiations on carbon reductions. In the recent ten years， some important progresses have been achieved in the study of tracing urban atmospheric CO_2ff using ¹⁴C by Chinese scientists. The variation characteristics of urban CO_2ff at different temporal and spatial scales were obtained through the analysis of ¹⁴C in air， tree ring and annual plant samples. Our results show that the northern cities are the key points to reduce carbon emissions， and that the CO_2ff emissions can be reduced simultaneously by controlling atmospheric pollutant emissions， indicating a synergistic emission reduction. It was found that CO_2ff in Xi'an was mainly from local coal-burning emissions with the use of improved WRF-CHEM model and δ¹³C. Finally， the yearly CO_2ff traced by tree-ring ¹⁴C in Xi'an showed similar trends and amplitudes with the statistical data of carbon emissions， which indicates that the ¹⁴C tracing method and statistical method can be mutually validated to ensure the reliability of the data. In order to promote the ¹⁴C trace study to serve the national carbon emission reduction task， we suggest that the urban atmospheric Δ¹⁴CO₂ observation network should be established as soon as possible， and that this study should be enhanced with more scientists involved in it and more financial resources to support it.     

大别造山带天柱山中生代中酸性岩成因的REE配分定量模拟

大量的同位素地质年代学和地球化学研究表明,大别山中生代中酸性岩为俯冲扬子陆壳再循环的产物．REE配分的定量模拟计算结果表明,与基性下地壳相似的北大别基性闪长质片麻岩部分熔融并经过结晶分异能够形成与天柱山中性岩类似的稀土元素组成,而与中性地壳相似的北大别中性灰色片麻岩部分熔融能够形成与天柱山花岗岩类似的稀土元素组成．残留相微量元素定量计算结果表明,大别山现今出露的中基性麻粒岩不是部分熔融后形成的残留体．早白垩世地幔超柱事件热扰动所引起的加厚地壳部分熔融后的残留体可能由于比重较大而拆离进入地幔,从而发生去山根作用和造山带的大面积隆起．     

页岩储层物性参数对CO2不同封存机制及封存量的影响

CO₂增强页岩气开采技术(CO₂-ESGR)一方面可提高CH4产量,另一方面又可实现CO₂地质封存。为了分析页岩储层物性参数对CO₂封存机制的影响,文章以鄂尔多斯盆地延长组页岩为研究对象,采用CMG-GEM软件建立双孔双渗均质模型,分析了CO₂-ESGR中页岩储层垂直渗透率与水平渗透率之比(Kv/Kh)、含水饱和度和孔隙度对不同CO₂封存机制封存量的影响;并设计了27组正交试验采用极差分析法比较了三种因素的影响程度。研究表明,Kv/Kh在0.1～1范围增大会增加不同CO₂封存机制的封存量,封存总量最大可增加69.96%,其中吸附封存量最大可增加97.96%,受到影响最大;含水饱和度在0～0.9范围增大引起CO₂封存总量先增加后减小,封存总量最大可减少67.12%,其中溶解封存量最大可减少83.35%,范围波动最大;页岩储层孔隙度在0.1～0.99范围增大会导致CO₂封存总量减少,封存总量最大...     

辽宁抚顺盆地始新世古气候定量研究

利用德国科学家 Mosbrugger 和 Utescher 在 1997 年提出的共存分析法对辽宁抚顺盆地始新世古气候进行定量重建。通过共存分析获得的抚顺盆地始新世古气候参数为：年均温度为 14.3～19.8℃（中值为 17.05℃）,最热月均温为 24.1～27.7℃,最冷月均温为 2.5～10.9 ℃,年较差为 17.7～22.7℃,年降雨量为 803.6～1 113.3 mm (中值为 958.45 mm),最大月降雨量为 179.4～268.1 mm,最小月降雨量为 10.2～12.7 mm。与现代气候对比发现：始新世时气温较现在（7.8℃）高9.25℃,年降雨量较现在（734.5 mm）多约224 mm,始新世时属于亚热带季风气候,现今为温带季风气候。     

CO2驱煤层气中煤层膨胀对套管稳定性的影响

随着中国经济的快速发展,能源供需矛盾日益突出,由于过度依赖化石能源,大量排放CO2,致使面临的环境压力越来越大。CO2驱煤层气(CO2 enhanced coal-bed methane)技术可同时增产煤层气和大规模减排CO2,在我国具有良好应用前景,但应用该技术在注采生产过程中因煤层吸附CO2产生的膨胀效应对套管稳定性的影响尚未引起重视。通过建立考虑CO2煤岩吸附膨胀效应的套管-充填材料-煤岩平面应变模型计算的套管应力和变形理论解与ABAQUS数值模拟结果具有良好的一致性,并分析了CO2吸附膨胀条件下套管应力的影响因素。分析结果表明,膨胀对套管应力和变形具有显著影响。在给定CO2吸附浓度和套管内径条件下,套管和充填材料的壁厚、充填材料和煤岩的力学参数是影响套管应力的主要因素,可通过增加套管或（和）充填材料壁厚以及改变充填材料力学参数来降低套管应力。开发超低弹模和较大泊松比的充填材料是降低套管应力的有效途径。     

Research Advance in Air-Water CO2 Exchange of Estuaries

Estuary holds a key position in linking the four geo-spheres, i.e., atmosphere, lithosphere, hydrosphere and biosphere. Figuring out the transfer mechanisms of estuarine carbon, especially the exchange ofCO₂ at the air water interface is conducive to understanding the carbon pattern in coastal oceans. To date, many fruitful studies have been conducted on the control mechanism towards the partial pressure of CO₂ (pCO₂) in different estuarine areas around the world. By a thorough research on the latest studies of estuarineCO₂ exchange with the atmosphere, it is concluded as follows: ①A common pattern is found on the spatial distribution of pCO₂in different estuarine areas. However, the concrete seasonal change of pCO₂ shows great differences, and the corresponding control factors also vary considerably. ②Estuaries are believed to be large sources ofCO₂ to the atmosphere. It is estimated that the global estuarineCO₂ degassing fluxes, although the global surface area of estuariesis small, are up to 0.25×10¹⁵~0.50×10¹⁵g C/a; and about 1/3 of riverine carbon is released into the atmosphere during the estuarine transit. ③Degradation of organic matter, lateral transfer of marsh derivedCO₂ , mineral deposits in water and turbulence in the liquid phase are the main factors that are responsible for the emission of estuarineCO₂ . At present, this estimate of estuarineCO₂ exchange with the atmosphere is based on limited spatial data, therefore problems such as the limitation in the depth and scope of studies still exist. There are also varieties of uncertainties in the estimation of gas transfer velocity and the whole areas of global estuaries, all of them make it difficult to reach an accurate evaluation ofCO₂ fluxes at the air water interface. It is difficult to predict the future trend of theCO₂ exchange at the air-water interface due to the complexities of the driving forces and feedback mechanisms in estuarine carbon cycle and the intense anthropogenic disturbance. Investigating the mechanism of pCO₂ in estuarine areas, improving the accuracy of evaluation ofCO₂ fluxes and comparing studies of different estuaries would be new scopes in the future researches on the exchange ofCO₂ at the air-water interface in estuaries.     

基于岩石物理模版的碳酸盐岩含气储层定量解释

笔者针对碳酸盐岩储层勘探开发面临的储层预测与流体识别难度大的问题,基于岩石物理理论,提出了一种对碳酸盐岩含气储层进行定量解释的方法:首先,综合碳酸盐岩地质和测井信息,以岩石物理理论为依据,实现了适用的碳酸盐岩岩石物理模型的构建;然后基于岩石物理模型优选出对孔隙度、含气饱和度较为敏感的参数λρ和μρ,构建能够反映储层孔隙度与含气饱和度的碳酸盐岩岩石物理模版;最后,将岩石物理模版与工区反演提取的参数相结合,确定储层分布范围,并对储层范围内孔隙度和含气饱和度数值进行了定量解释。实例分析表明,基于该模版定量解释得到的孔隙度和含气饱和度与实际地层孔隙度及产气结果基本一致,经验证碳酸盐岩岩石物理模版的可靠性和适用性较好。