誰是“全球變暖”的主因——碳的自然排放源與地球化學循環及氣候變化主因研究評述*

文/張景廉 杜樂天 范天來 李相博

1 中國石油勘探開發研究院西北分院 蘭州 730020

2 中國核工業集團公司 北京地質研究院 北京 100029

3蘭州大學資源環境學院 蘭州 730000

人們通常認為，全球氣候變暖是人類自身活動造成的，如工業革命以來人類開采和燃燒煤、石油、天然氣等化石燃料，人類砍伐森林，放牧草原，致使森林、草原消失，沙漠擴大……，但本文指出，除人類活動以外，導致地球大氣圈CO2濃度升高還有一些自然的因素，如火山、地震等。這些因素與人類活動相比孰主孰次，需要科學的評估。以下將分別討論各種自然現象的CO2排放作用，這些排氣作用，由于不易被觀察到，而往往被忽略。

2 地球的CO2與CH4

2.1 火山氣體

火山噴發，伴隨大量熔融巖漿的噴出、溢流，釋放大量氣體。一些地質學家指出，火山爆發是由地球內部氣體引起的，即巖漿噴溢是由于高壓氣體所致。

據對前蘇聯庫頁島、堪察加半島，日本，新西蘭，印尼，美國阿拉斯加、夏威夷，墨西哥等火山氣體的取樣分析表明：氣體成分以H2O、CO2為主，還有H2、CH4、CO、SO2，有的火山氣體含HCl。

1991年6月15日菲律賓的Pinatubo火山噴發，瞬間將2.0×108t CO2噴向空中；而意大利Etna火山每年以寧靜排氣形式釋放出2.5×108t CO2。

資料表明：火山爆發排出的天然氣要比目前人類開發地殼天然氣（及石油）的總和可能要大2—3個數量級[1]。

Exxon公司的Huffman計算表明：在產生1000 km3火山熔巖（相當于哥倫比亞火山巖區一次典型的火山噴發體積）的同時，釋放1.6×1010t CO2、3.0×109t S、3.0×107t鹵素。實事上，由地幔柱產生的這種噴發幕每年可達上千次。

據劉東生等（1990）研究，全世界火山活動每年排出的碳約9.0×108t，而1988年中國碳排放量則為6.2×108t。

2.2 泥火山

巴庫附近有很多泥火山，有的高數十米，直徑數公里，這些泥火山往往沿斷裂帶分布，泥火山噴發往往與地震同時發生，其噴發的氣體大部分是CH4。

據報道，1958年馬卡洛夫泥火山爆發，噴出約3.0×108m3氣體，火焰柱直徑120m，高達500m；1950年，大恰尼日答嘎泥火山噴出氣體1.0×108m3；1947年，陶拉蓋依泥火山噴氣4.95×108m3；1965年，奧特曼泥火山噴氣4.5×108m3。僅這4個泥火山噴氣就達1.35×109m3。

據索科洛夫（1966）研究表明，塔曼半島卡臘別托夫卡泥火山噴發物中CH4占65.6%，CO2占31.4%；舒戈泥火山CH4為80.2%,CO2為19.2%；格尼拉亞泥火山CH4為98.2%；刻赤半島塔臘罕群泥火山CH4為7.5%,CO2為 92.5%[1]。

迄今為止，全球有800多個陸地泥火山和900多個海底泥火山，大多分布在板塊構造的邊緣和構造活動帶，據Etiope等估計，每年全球泥火山釋放的CH4至少為1.0×106—2.0×106t。

2004年Etiope等的分析表明，全球陸地、淺海泥火山排出的CH4約為全球CH4地質通量的1/4，為40Mt/年。東阿塞拜疆CH4通量的直接測定則表明泥火山是大氣圈CH4重要的源。

2.3 地震與海嘯

全世界每年發生數以萬計的大大小小的地震，伴隨地震有大量氣體釋放，卻不為人所知。

1960年智利大地震，沿岸450km地帶的大海“沸騰”了，這很可能是地震釋放的天然氣在作怪，一些海嘯的巨大破壞力也可這樣來理解。

1970年高加索山區發生6.6級地震，氣體采樣發現：大氣中CH4、CO2濃度呈1—3個數量級的增加，而H2則有4個數量級的增加；1981年，格魯吉亞4.2級地震，巴庫大氣中CH4濃度比正常值高1倍。遺憾的是，目前尚無中國科學家在地震區進行氣體采樣分析的報道。

Gold指出，大地震釋放的氣體，僅是地球排氣的一小部分；他估計，每年因地震排放的CH4約1.0×1010—3.0×1010m3[2]。

2008年5月12日汶川大地震是一個十分典型的實例。筆者在2006年曾預測松潘—甘孜褶皺帶有豐富的油氣資源[3]。汶川地震后，筆者分析了汶川地震與中地殼低速高導層的成因關系，明確指出汶川地震與天然氣爆炸有關[4，5]。

2.4 洋中脊釋放氣體

據報道，每年從地球深處流出的H2、CH4分別為1.3×109m3和1.6×108m3。若從寒武紀算起，則從大洋中脊流出的CH4總量為5.7×1015t[6]。

2.5 洋殼蛇紋巖化生成的氣體

Copoxkurt等的研究結果表明：洋殼蛇紋巖化層所生成的CH4每年可達6.5×106t，而玄武巖每年生成的CH4則為洋殼蛇紋巖化層的1/3—1/2。因此，洋殼每年可生成CH4約9.0×106t。若按現代海洋存在時間1.5×108a，則共生成1.35×1015t CH4。

2.6 礦床中的氣體

2.6.1 金屬礦床中的氣體

（1）銅鎳礦。俄羅斯諾利爾斯克銅鎳礦的坑道里氣體有N2、CH4、CO2、H2，其中CH4可達39%；有資料顯示，從1950—1962年，坑道中約排出了1.3× 109m3的CH4。

（2）含金黃鐵礦。北高加索一含金黃鐵礦的氣體成分為，H2：82%，N2：12.4%，CO2：3.95%，CH4：0.5%。

（3）金礦。南非含金礫巖礦山中每年排放CH45.0×108m3，澳大利亞卡爾古利金礦山深部也含有CH4與H2。Fritz等（1987）曾指出，加拿大所有熱液礦床均強烈排氣，主要是CH4。

2.6.2 煤礦CO2氣體

眾所周知，吉林營城煤礦、吉林和龍煤礦和甘肅窯街煤礦曾發生過CO2“突出”事件，其中甘肅窯街煤礦曾多次發生CO2“突出”事件。經計算，窯街地區侏羅系地層中CO2氣體的儲量為1.839×109m3。研究表明，窯街地區CO2“突出”為幔源所致，表明其深部有一個大的CO2儲氣庫，它不斷向地殼上部的煤層、砂巖中排放并儲集CO2，當達到臨界點時便發生“突出”事件。

2.6.3 煤礦瓦斯

張虎權等（2006）對煤層氣的研究表明：煤層氣（煤礦瓦斯）不是煤層所固有，與地球深部排氣作用有關；而煤礦瓦斯爆炸往往與地震有關。全球由于煤礦瓦斯“突出”與爆炸所釋放的CH4與CO2同樣不可忽視。

2.6.4 CO2氣田（藏）

我國東部有一些CO2氣藏（田），它們大多發育于第三系或白堊系地層中，如松遼盆地萬金塔CO2氣田儲量3.0×109m3；黃驊坳陷翟莊子CO2氣田儲量1.0×109m3；濟陽坳陷CO2氣田（藏）；蘇北盆地黃橋CO2氣田儲量6.0×1010m3；三水盆地CO2氣田（藏）等等。

2.6.5 烴類氣田

中國已發現一些大氣田，如蘇里格氣田、普光氣田、克拉2氣田、慶深氣田、威遠氣田等，這些氣田自形成之日起便不斷有天然氣向上滲透。周興熙的研究表明,克拉2氣田北緣有一斷層斷穿封隔層，天然氣可泄露（淺部有明顯的氣顯示），并根據克拉2氣田天然氣聚集與散失量的動態平衡計算，發現其補給量大于散失量[7]。

2.6.6 非洲基伍湖中的天然氣

據研究，東非大裂谷帶的基伍湖，湖水400m以下有巨量的水溶性天然氣，其中CH4占22%，CO2占77%，其湖水中溶解CH4的總量約5.7×1016m3，CO2的總量為2.0×1017m3。截至2005年，全世界天然氣剩余可采儲量僅1.73×1014m3，2005年全世界年產天然氣2.78×1012m3。顯然，這些數字與基伍湖的水溶CH4相比，實在是小巫見大巫。重要的是，不少湖泊中的水溶氣尚未調查清楚。

2.7 森林大火與天然氣

近年來，森林大火已嚴重威脅到人類生命安全及環境。頻繁發生的大火究竟是什么造成的？

杜樂天最早指出，1987年的大興安嶺大火為天然氣燃燒所致。張景廉（1998，1999）也認為：阿爾山森林大火、廣東三水—清遠一帶的森林大火均與天然氣燃燒有關，大火均呈線狀分布，表明與深部線狀斷裂帶有關。

郭廣錳的研究表明，85%的特大森林火災靠近斷裂帶、火山分布區，特別是1987年的漠河大火，發生在3條斷裂交匯處。

杜樂天等最近再次指出，區域性森林大火與地球排氣作用有關，并以阿爾山火災的實際氣體測量數據為證。

3 CO2與CH4的匯——演化與循環

3.1 海洋湖泊——大氣圈的碳循環

利用最新的全球環流碳循環模式估算，20世紀80年代海洋每年吸收大氣CO2為1.5×109—2.2×109t。

另據報道，全球海洋的生物固碳能力約為40GtC/a，即每年4.0×1010t；該數字比人類活動每年排放到大氣的CO2（7GtC/a）高出5倍多。

3.2 土壤與大氣之間的交換平衡

土壤圈貯存的有機碳量約是目前大氣儲量的2倍，陸地植物儲量的3倍；土壤碳循環是陸地生態系統物質循環和能量流動的基礎，也是全球碳循環的重要組成部分。每年土壤釋放到大氣中的CO2是化石燃料燃燒釋放的10倍之多。其中土壤碳庫的任何變化對改變大氣CO2濃度和全球氣候具有巨大的潛力，可視為大氣CO2重要的源和匯。

土壤是地球表層系統中最大、最活躍的碳庫之一（1.55×1012t），約為大氣圈和生物圈碳庫的2.5倍。土壤固定和收集大氣CO2的容量與潛力成為近二三十年來找到工業CO2排放控制的替代技術前減緩大氣CO2濃度升高的關注點。

3.3 森林在碳循環中的作用

據國家林業局統計，2004年全國森林吸收的CO2量是全國化石燃料釋放CO2總量的8%，顯然這是一個不小的數字，還不包括其他植被所吸收的CO2量。方精云等對中國陸地植被年均總碳匯的計算為0.069—0.106PgC/a（1981—2000），相當于同期中國工業CO2排放量的14.6%—16.1%；中國土壤碳匯為0.04—0.07 PgC/a。陸地生態系統的總碳匯（植被和土壤）將相當于同期中國工業CO2排放量的20.8%—26.8%。這是目前對土壤、植被碳匯的比較客觀的估算，盡管還有很大的不確定性。

3.4 CO2在地質史期中的演化

據2011年6月2日出版的Nature報道，635Ma前地球Marinoan雪球冰川的結束與地球CH4的大量釋放有關，實質上與地球大規模排氣作用有關。

Mark Pagani等在2005年6月17日出版的Science上發表了“古代：二氧化碳量和溫度變化”一文指出，在始新世期間，大氣中CO2含量為1000—1500ppm，而到漸新世末，則減少到200—300ppm；而到近代人類社會，1880年，大氣中CO2含量為280ppm，1950年為310ppm，1989年為352ppm,1991年為383ppm。

美國夏威夷大學的海洋學家Richard Zeebe等對海洋和大氣的碳循環進行了模擬。發現在PETM期間（古新世—始新世最熱現象）當大氣CO2增加到2000ppm時，大氣溫度增加了3.5℃；而海底巖心揭示，在PETM期間地球表面溫度在1萬年的時間里上升了9℃。因此，Zeebe認為“可能有其他的溫室氣體，如CH4，對PETM的變暖做出的貢獻”。

上述結果表明：（1）在地球歷史中，不僅有白堊紀的地球變暖期，古新世—始新世也有一個大的變暖期；（2）造成地球變暖的不僅有CO2，還可能有CH4及其他因素。因此，今天地球的變暖有可能是地球演化發展過程中的一個小插曲，而不是人類燃燒化石燃料所產生CO2的結果！

隨著人類文明的發展，大氣中CO2的含量在增加，但遠未超過始新世時大氣中CO2的含量。因此斷定“人類活動推動了氣候變化”還缺乏充分的科學依據。

4 碳的地球化學循環

根據上述討論可以看出，導致地球大氣中CO2增加的因素有：（1）地球排氣作用，如火山噴發、地震、海嘯、煤礦CO2“突出”、CO2氣藏的滲漏、森林大火、CH4的燃燒等等；（2）人類作用，即化石燃料的燃燒，生物質的氧化等等。

而導致CO2減少的因素有：海洋、土壤與大氣CO2的平衡、植物光合作用、巖石圈的風化作用等等（圖1）。

地球大氣中CO2的增加與減少的過程中，何為主因？特別是CO2增加的因素中，地球排氣與人類因素孰主孰次，是亟待解決的難題。

碳循環研究的一個首要問題是要回答碳是如何在大氣圈、水圈（主要是海洋）和陸地生物圈分配和貯存的。

海洋碳循環是其中一部分，其儲碳能力是大氣圈的50多倍，因此不少學者一直在研究CO2在海洋中的轉移和歸宿，即海洋吸收、轉移大氣CO2的能力及CO2在海洋中的循環機制（物理、化學、生物作用過程）。2001年IPCC發布了第三次評估報告，認為在過去的42萬年中，大氣中CO2濃度從未超過目前大氣CO2的濃度，估計到21世紀中葉，大氣中CO2將比工業革命前增加1倍。工業革命以來，全球氣溫已增加0.6℃，這主要是由于大氣中人為溫室氣體（如CO2、CH4、N2O、CFGS）濃度增加所致，其中CO2作用居首位。但在圖1中，煤、油、天然氣的燃燒對碳循環來說所起作用可能極小。

圖1 地球碳的地球化學循環（據Gold[5]修改）

5 地質歷史上的氣候演化

5.1 白堊紀的熱事件

到目前為止，在地球發展史中白堊紀被公認有一重大的熱事件，其被國際地球科學界視為研究地球系統科學的范例，稱之為“白堊紀世界”。白堊紀大洋紅層的缺氧事件在陸相的松遼盆地也有響應，并因此成為中國白堊紀“松科一井”鉆探的目標之一。

5.2 古新世-始新世的熱事件

在古新世-始新世期間，若按海洋和大氣的碳循環模擬，則大氣溫度增加3.5℃；而海底巖芯揭示，地球表面溫度增加了9℃。

5.3 3Ma前的氣候變化

據愛丁堡大學托馬斯克·勞利和加拿大學者威廉·海德在Nature撰文，依據海洋化石與地球運行軌道轉移的記錄，過去3 Ma間，地球氣候變化極為顯著，出現炎熱和極寒冷氣候之間的變化，而地球運行軌道和CO2含量減少是罪魁禍首。他們預測未來1萬—10萬年間，將有大冰期到來，并將導致海平面下降300m。

5.4 中國文明史記錄的氣候變化

（1）據中科院院士、鄭州大學教授霍裕平研究，幾千年前，地球氣候比現在還熱，所以近年來的氣候變化，不可斷然歸因于人類能源消耗。“全球變暖”恐慌是一些利益集團的炒作，中國政府應審慎處理能源消耗與發展的關系。

（2）由施雅風院士主編的“中國氣候與海面變化及其趨勢和影響”系列之一：《中國歷史氣候變化》一書的主編張丕遠引用了McBean G A1992年的一段話：“一個世紀以來，全球溫度增加了0.3℃—0.6℃，20世紀80年代被認為是最暖的10年，這種升溫是否能歸諸溫室氣體增加，而不是自然的震動？這是很值得懷疑的?！睆堌нh通過考證《大清圣祖仁皇帝實錄》，證明黑龍江省1717年前后要比1671年前后溫暖。而福建等地1646年以前冬季較暖，一般無雪。但到1646年以后，氣候變冷，冬季經常下雪。這一結論根據長江中下游洞庭湖、鄱陽湖、太湖3大湖泊結冰資料與中國熱帶地區下雪、降霜所得結果是一致的。

看來，不僅白堊紀天氣的變暖是由地球及其太陽系所致，在近300年的歷史中，天氣的變暖也應屬自然變化而非人為造成。

6 “地環排氣”可能是全球氣候變化的主要因素

前蘇聯科學家近30多年來一直在探索“地球排氣”這個前瞻性課題，1975、1985、1991年分別召開了第一、二、三屆“全俄聯盟地球排氣及大地構造會議”。2002年在莫斯科又專門召開了“地球排氣作用：地氣動力學、地球流體、石油與天然氣”的紀念克羅泡特金的國際學術會議，300多位專家、學者向會議提交了198篇論文，可見地球排氣作用已成為一個熱點。

杜樂天指出，地球排氣作用與地球動力學、成礦、成藏（金屬、非金屬礦床、油氣藏）、自然災害（地震、海嘯、火山作用、大氣圈溫室氣體、干旱、沙漠化、酷熱、森林大火、煤礦瓦斯爆炸等等）均有直接關系。顯然杜樂天的觀點比俄羅斯學者涵蓋的范圍要廣得多。我們應以此為契機開展這方面的深入研究。中國氣象科學研究院任振球研究員也強調需用整體觀來研究全球氣候變暖成因，必須全方位考慮各種可能的影響因子（包括天地耦合），并注意其間的連鎖關系；馬宗晉院士等強調特別要考慮到地球各圈層的相互作用[8]。

7 最新研究進展

最近，面對這一人類備受關注的主題，一些科學家獲得了新進展。

7.1 科學界尚未確認人為效應與自然效應的主次因素

丁仲禮等在《中國科學》[8]、《中國科學院院刊》[9]撰文指出：迄今為止，科學界并不具備可靠手段，來定量區分過去一個世紀來增溫的人為效應與自然效應。雖然過去30年來，人類在利用數值模式預測氣候系統變化的能力方面有較大提高，但即使目前世界上最先進模式的模擬結果仍具高度的不確定性。他們還認為：“一些發達國家提出征收碳關稅會損害全球消費者利益，因此，征收碳關稅斷不可行”。

7.2 自然因素可能大于人類因素

孫樞、王成善在第四屆全國沉積學大會上提出“深時（deep time）”研究[10],他們引用“深時”倡導者Soregham等的觀點，即“根據目前研究的結果，我們可以明顯看出，自然因素作用的結果已超出了人類活動所影響的限度，這對于探討人類活動所影響的程度以及更加準確地進行未來的氣候預測無疑是有重要意義的”[10]；并提出：“氣候變化可能是由于地球系統內部因素變化引起，也可能由外部因素導致”，“地球曾表現出‘溫室狀態’與‘冰室狀態’交替出現的周期性，并以溫室氣候為主”；“溫室氣候”的代表是中生代白堊紀為最典型、最極端；而古新世-始新世最熱事件（PETM，Paleocene-Eocene Thermal Maximum）也是一次全球性的氣候突變事件。

越來越多的證據表明：氣候變化不只是大氣圈獨立變化的結果，而是受大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈以及天文因素等共同作用的結果。

7.3 目前的氣候模型有太多的不確定性

周鑫與郭正堂對新生代氣候與大氣溫室氣體濃度的關系的分析研究表明：在第四紀氣候變化的歷史上，氣候系統中其他一些因素對溫度的作用有時會顯著超越CO2的溫室效應，即引起溫室效應的除溫室氣體CO2外，還有比大氣CO2更重要的因素。氣候系統其他內部過程對溫度變化起到了更重要的作用，即使在考慮溫室氣體時，CH4的溫室效應不應被忽視。目前的氣候模型在理解氣候變化和溫室氣體關系中仍有太多不確定性。如果考慮氣候模型，除溫室氣體外，自然因子必須考慮進去，如太陽輻照度的變化[11]。另外，地質過程，尤其是地球深部過程，對地球碳循環的貢獻必須予以重視。

7.4 應對氣候變化的行動戰略

最近，陳泮勤等對氣候變化的幾個關鍵問題提出了質疑：

（1）人類活動的輻射強迫作用存在不確定性；全球增溫幅度被高估了；（2）代用資料也不足以支持人類活動對全球變暖的貢獻；（3）即使全球變暖，是利是弊仍不能做出結論；（4）氣候預估存在不確定性。他們提出應對氣候變化的行動戰略是：“適應為主，減緩為輔”[12]。

8 結論

（1）至少到目前為止，地球大氣圈中CO2、CH4氣體增加的主因尚不清楚，即地球排氣作用與人類活動相比孰主孰次需要做定量的、科學的評估，這個過程需要全世界科學家共同合作，這是一個漫長的過程。

（2）人們可能過高地估計了人類活動對地球環境的負面影響。也許目前氣候變暖恰好是地球自然演化過程中的一個小插曲而已（如白堊紀時期的全球變暖），“京都議定書”只不過是一些學者、政要的一種臆想而已。

（3）人類不可能“拯救地球”，而只能適應地球的發展、演化。當然“低碳經濟”、“節能減排”仍是人類必須遵守的原則，其更主要針對的是人類生存環境的改善和資源利用的可持續。

1 杜樂天.國外天然氣地球科學研究成果介紹與分析.天然氣地球科學,2007,18(1):1-18.

2 Gold T,Soter S.The deep earth gas hypothesis.Scientific American,1980,342:154-161.

3 李碧寧,焦養泉,張景廉.松潘-甘孜褶皺帶的深部地殼構造特征及油氣前景.新疆石油地質,2006,27(6):655-659.

4 張景廉,杜樂天,張虎權等.四川汶川大地震與中地殼低速、高導層的成因關系初探.西北地震學報,2005,30(4):405-412.

5 張景廉,杜樂天,曹正林等.再論汶川大地震與深部氣體的關系.西北地震學報,2011,33(1):96-101.

6 杜樂天.地球排氣作用的重大意義及研究進展.地質論評,2005,50(2):174-180.

7 方樂華,張景廉.油氣是可以再生的.石油勘探與開發,2007,34(4):508-512.

8 丁仲禮,段曉男,葛全勝等.2050年大氣CO2濃度控制：各國排放權計算.中國科學D輯:地球科學,2009,39(8):1009-1027.

9 丁仲禮,傅伯杰,韓興同等.中國科學院“應對氣候變化國際談判的關鍵科學問題”項目群簡介.中國科學院院刊,2009,24(2):8-17.

10 孫樞,王成善.“深時（deep time）”研究與沉積學.沉積學報,2009,27(5):792-810.

11 周鑫,郭正堂.淺析新生代氣候變化與大氣溫室氣體濃度的關系.地學前緣,2009,16(5):15-28.

12 陳泮勤,程邦波,王芳等.全球氣候變化的幾個關鍵問題辨析.地球科學進展,2010,25(1)：69-75.