Землетрясения могут изменить то, как горы накапливают и высвобождают углерод

Фото из открытых источников

Когда землетрясение разрушает склон горы, ущерб не прекращается после того, как прекращаются толчки. Дожди могут годами смывать этот разрушенный ландшафт в реки, унося с собой огромное количество углерода. Но не весь этот углерод оказывает одинаковое воздействие на климат.

Новые исследования, проведенные в горах юго-западного Китая, показывают, что вызванные штормами и землетрясениями оползни переносят вниз по течению две совершенно разные формы углерода. Результаты исследования опубликованы в журнале Science China Earth Sciences.

Один из факторов может способствовать удержанию углекислого газа в атмосфере на протяжении тысяч лет, а другой в конечном итоге может высвободить его обратно в атмосферу. До сих пор разделить эти два источника углерода в образце мутных речных отложений было на удивление сложно. Исследователи нашли новый способ различать их, показав, как одно крупное землетрясение может изменить углеродный цикл горы на десятилетия.

Суть метода заключается в использовании тепла. Образец осадка помещается в печь, которая медленно и равномерно его нагревает, а прибор подсчитывает количество выделяющегося углекислого газа при каждой температуре на этом этапе. Листья и верхний слой почвы преждевременно теряют углерод, высвобождая большую его часть при температуре ниже примерно 990 градусов по Фаренгейту.

Углерод, заключенный в осадочных породах на протяжении миллионов лет, удерживается гораздо дольше, и для его высвобождения требуется значительно больше тепла. Разница между ними велика. Таким образом, каждый источник генерирует свою собственную кривую, тепловой отпечаток, который сохраняется даже тогда, когда образец представляет собой скопление материала из целой долины. Углерод, образованный из горных пород, который геологи называют петрогенным углеродом, находится на самом устойчивом конце этого диапазона.

Цзинь Ван, научный сотрудник Института окружающей среды Земли Китайской академии наук (IEECAS) и ведущий автор исследования, уже много лет отбирает пробы воды из этих рек.

«Землетрясения и штормы могут переносить огромные объемы наносов, но до сих пор было сложно определить, как различные источники органического углерода мобилизуются и изменяются в процессе речного переноса», — сказал он.

Более старые методы трассировки основаны на химических сигнатурах, которые частично присущи растениям, почве и горным породам, поэтому ответ становится неясным, когда образец содержит материал из всех трех типов почв. Чтобы проверить новые данные, команда провела радиоуглеродное датирование тех же самых отложений. Результаты совпали.

Верхнее течение реки Миньцзян дренирует крутой восточный край Тибетского плато в провинции Сычуань. Склоны реки рыхлые, летние дожди выпадают интенсивными ливневыми ливнями, а содержание ила в воде резко колеблется от недели к неделе. Команда Вана взяла пробы воды из реки до и во время шторма. Два дня сильных дождей смыли почти треть всего, что река могла бы перенести за весь год, включая наносы и углерод.

Практически весь углерод, поступающий в результате штормов, образовался из растительности и поверхностного слоя почвы. Дождь не проникает в скальную породу, а лишь царапает ее поверхность, поэтому он выносит молодой, реакционноспособный материал, все еще связанный с живым миром. Этот материал очень хрупкий. Он быстро разлагается, если оседает в пойме, но может сохраняться тысячи лет, если свежие отложения запечатывают его в русле водохранилища или на морском дне.

Неожиданный результат был получен, когда команда сравнила образцы 2020 и 2021 годов с данными, собранными до землетрясения и в годы сразу после него. Сравнивая дни с мутной водой и дни с такой же мутной водой, можно заметить, что в 2020 году река переносила заметно меньше углерода, содержащегося в растениях и почве. Это было значительное снижение по сравнению с тем, что исследователи наблюдали десять лет назад.

Наиболее вероятная причина заключается в том, что леса на местах оползней восстановились. Большая часть рыхлого органического материала, смытого в 2008 году, также уже была вымыта через эту систему. В отдельной статье того же института были приведены статистические данные о восстановлении этого процесса. По оценкам исследователей, запасы углерода в растениях верхнего течения реки Миньцзян вернутся к половине доземлетрясенного уровня примерно через 74 года. Для этого потребуются столетия.

Пока растительный сигнал ослабевал, каменный сигнал усиливался. Оползни 2008 года сбросили огромные объемы обломков горных пород на склоны холмов, и большая часть из них не достигла реки сразу. Похоже, что обломки оползня год за годом поставляют в русло реки углерод, содержащийся в горных породах. За последнее десятилетие их доля в общем объеме углерода в реке резко возросла, что прямо противоположно тому, что происходило с углеродом, содержащимся в растительных остатках.

Полученные данные соответствуют результатам измерений, проведенных другими группами исследователей в том же бассейне. Одно из исследований показало, что общее количество наносов в реке Миньцзян оставалось примерно в пять раз выше в течение десяти лет после землетрясения, причем большая часть из них перемещалась по руслу реки, а не плавала в течении.

Ранее проведенные полевые исследования на близлежащем притоке показали, что экспорт углерода растениями удвоился в первые годы после землетрясения, что указывало на долговременное захоронение углерода в почве. Новая работа запечатлела второй акт, в котором биологический импульс затихает, а геологический берет верх. Теперь стало известно то, чего раньше не было: одно землетрясение вносит две отдельные записи в углеродный цикл региона, по двум разным графикам.

Биологическое воздействие происходит быстро и исчезает в течение десятилетия. Геологическое же воздействие развивается медленно и длится гораздо дольше. Это различие имеет практическое значение для всех, кто занимается моделированием того, как горы справляются с углеродом. Рассмотрение осадочных пород после землетрясения как единой недифференцированной массы приводит к завышению показателей экономии углерода в первые годы и занижению потерь углерода в последующие годы.

Ещё одним преимуществом является стоимость. Радиоуглеродное датирование — медленный и дорогостоящий процесс, в то время как однократный цикл обработки в печи позволяет определить источник загрязнения даже в обычной речной грязи. По прогнозам, интенсивность сильных дождей усилится во многих горных хребтах, а тектонически активные пояса продолжат вызывать сильные землетрясения. Теперь оба вида оставляют читаемый углеродный след в осадочных породах, которые они переносят вниз по течению.