Der italienische Zentralapennin ist laut Studie eine CO₂-Quelle

Tektonisch aktive Berge spielen eine wichtige Rolle bei der natürlichen CO2-Regulierung der Atmosphäre. Hier finden konkurrierende Prozesse statt: An der Erdoberfläche treibt Erosion Verwitterungsprozesse an, die je nach Gesteinsart CO2 aufnehmen oder freisetzen. In der Tiefe führt das Erhitzen und Schmelzen von Karbonatgestein zur Ausgasung von CO2 an der Oberfläche.

Im mittelitalienischen Apennin haben Forscher um Erica Erlanger und Niels Hovius vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und Aaron Bufe von der Ludwig-Maximilians-Universität München nun erstmals alle diese Prozesse in einer Region untersucht und bilanziert – unter anderem anhand von Analysen des CO2-Gehalts in Gebirgsflüssen und -quellen. Sie fanden heraus, dass die Verwitterung in dieser Region insgesamt zu einer CO2-Aufnahme führt.

Allerdings bestimmen diese oberflächennahen Prozesse die CO2-Bilanz nur in Gebieten mit dicker und kalter Kruste. Auf der Westseite des Zentralapennins ist die Kruste dünner und der Wärmefluss höher. Dort ist die CO2-Ausgasung aus der Tiefe bis zu 50-mal größer als die CO2-Aufnahme durch Verwitterung.

Insgesamt handelt es sich bei der analysierten Landschaft um einen CO2-Emittenten. Die Struktur und Dynamik der Erdkruste steuert hier also die Freisetzung von CO2 stärker als die chemische Verwitterung. Die Studie war veröffentlicht heute im Journal Naturgeowissenschaften.

Die Rolle der Berge im CO2-Haushalt der Erde

Neben den vom Menschen verursachten CO2-Emissionen spielen auch viele natürliche Prozesse – sowohl biologische als auch geologische – eine Rolle beim Ausgleich des globalen CO2-Budgets. Berglandschaften modulieren den Kohlenstoffkreislauf stark und es ist wichtig, die hier auftretende Konkurrenz von CO2-Ausstoß und CO2-Aufnahme in Klimamodellen angemessen zu berücksichtigen.

Einerseits werden Gesteine ​​auf der Erdoberfläche durch chemische Auflösungsprozesse verwittert: Durch Erosion wird kontinuierlich Gestein freigelegt, das – je nach Gesteinsart – unterschiedlich schnell verwittert und CO2 entweder aufnimmt oder freisetzt. Silikatmineralien beispielsweise binden CO2 und bilden Kalkstein. Bei der Verwitterung karbonat- und sulfidhaltiger Mineralien wird wiederum CO2 freigesetzt.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Aaron Bufe und Niels Hovius hat in einer weiteren, in der Fachzeitschrift veröffentlichten Studie die Konkurrenz zwischen CO2-Freisetzung und CO2-Entzug durch Verwitterung untersucht Wissenschaft Anfang März. phys.org/news/2024-03-geologis … -ranges-largest.html“>Sie analysierten den Einfluss der Erosionsrate auf die CO2-Bilanz am Beispiel verschiedener Bergregionen auf der ganzen Welt.

Die Gebirgsbildung beeinflusst jedoch nicht nur die Erosions- und Verwitterungsraten auf der Erdoberfläche. Wenn tektonische Platten übereinander gleiten, kann die Erwärmung von Karbonatgesteinen in Kruste und Mantel zu chemischen Reaktionen führen, die mit CO2-Emissionen einhergehen.

„Bisherige Studien haben sich oft auf einen einzigen Prozess konzentriert und die Verwitterung an der Oberfläche und Prozesse in der Tiefe getrennt behandelt. Das wollten wir ändern“, sagt Niels Hovius.

Untersuchungen im Apennin: CO2-Ausgasung oder -Speicherung – welcher Prozess dominiert?

Der Wettbewerb zwischen oberflächennahen und tiefliegenden Prozessen steht nun im Mittelpunkt einer neuen Studie von Erica Erlanger, Postdoktorandin am GFZ und der Université de Lorraine (Frankreich), Aaron Bufe, Professor für Sedimentologie an der LMU München und ehemaliger Postdoktorand am GFZ, und Niels Hovius, Leiter der Sektion Geomorphologie am GFZ und Professor an der Universität Potsdam, zusammen mit Kollegen aus Frankreich, Italien, den USA und der Schweiz.

Der zentrale Apennin in Italien erweist sich als besonders geeignete Region für diese Studie, wie Erica Erlanger, Erstautorin der Studie, erklärt: „Dieses Gebiet ist Teil eines aktiven Gebirges mit dicht beieinander liegenden Zonen aus dicker, kalter Kruste und dünnen, warme Kruste, die es uns ermöglicht, den Einfluss der Untergrundaktivität zu untersuchen. Die klimatischen Bedingungen sowie die Topographie und die Gesteinsarten an der Oberfläche sind im gesamten Gebiet ähnlich, sodass es keine großen Unterschiede in der Verwitterungsaktivität geben sollte.

Probenahme und Analyse des CO2-Gehalts

Im westlichen Zentralapennin beträgt die Krustendicke etwa 20 Kilometer und der Wärmefluss beträgt bis zu über 100 Milliwatt pro Quadratmeter, während die Kruste im Osten mehr als 40 Kilometer dick ist und der Wärmefluss etwa 30 Milliwatt pro Quadratmeter beträgt Meter.

Die Forscher entnahmen insgesamt 104 Wasserproben in den westlichen Tivere- und östlichen Aterno-Pescara-Flusssystemen, 49 davon im Sommer 2020 und 55 im Winter 2021, und deckten die wärmsten und trockensten Jahreszeiten sowie die nassesten und kältesten Jahreszeiten ab, um das Minimum abzuschätzen ( (Sommer) und maximale (Winter) CO2-Flüsse.

Wasserproben sind geeignet, da Flüsse und Quellen Kohlenstoff transportieren, der sowohl aus der Tiefe als auch aus oberflächennahen Verwitterungsreaktionen stammt. Die chemische Analyse der Proben umfasste die Bestimmung der relativen Häufigkeit verschiedener Kohlenstoffisotope. Diese können Aufschluss darüber geben, ob der Kohlenstoff aus einer Pflanze oder aus der Atmosphäre stammt oder aus einem subduzierten Gestein freigesetzt wurde.

„Auf dieser Grundlage konnten wir berechnen, welche CO2-Mengen durch Verwitterung oder aus Karbonaten in der Tiefe freigesetzt werden und welche CO2-Mengen durch verwitterte Silikate gebunden werden“, erklärt Erlanger.

Um eine Gesamtbilanz für den CO2-Haushalt des Apennins abzuschätzen, berücksichtigten die Forscher auch Schätzungen zu anorganischen CO2-Emissionen aus Gasquellen, die von der Westseite des Apennins bekannt sind, sowie aus dem organischen CO2-Austausch.

Zentralapennin als Netto-CO2-Quelle, jedoch mit gespaltener CO2-Bilanz

Das Forschungsteam stellte fest, dass die Verwitterungsprozesse im gesamten Untersuchungsgebiet überwiegend CO2 einfangen und nicht freisetzen. Bemerkenswert ist jedoch, dass dort, wo die Kruste dünn ist und der Wärmefluss hoch ist, die CO2-Freisetzung aus der Tiefe die verwitterungsbedingten CO2-Flüsse um den Faktor 10 bis 50 übersteigt. Insgesamt ist die Region daher eine CO2-Quelle.

„Wichtig ist, dass die Schwankungen der CO2-Freisetzung aus tiefem Gestein viel größer sind als die Schwankungen der chemischen Verwitterungsflüsse. Das bedeutet, dass die regionale Geodynamik im zentralen Apennin den Kohlenstoffkreislauf am stärksten beeinflusst, indem sie die CO2-Freisetzung aus der Tiefe moduliert und nicht durch Beeinflussung der Verwitterung.“ Reaktionen“, fasst Erica Erlanger zusammen.

„Basierend auf der geologischen Entwicklung des Gebiets schätzen wir, dass es wahrscheinlich in den letzten 2 Millionen Jahren zu CO2-Ausgasungen aus der Kruste und dem Mantel gekommen ist.“

„Unsere Untersuchungen werden zu einem besseren Verständnis der tatsächlichen CO2-Bilanz der Atmosphäre und damit zu besseren langfristigen Klimamodellen beitragen“, sagt Aaron Bufe. „Sie tragen auch dazu bei, zu klären, wie unser Planet das enge Spektrum an lebensfördernden Bedingungen aufrechterhalten hat, indem er CO2-Ausgasungs- und CO2-Speicherprozesse über geologische Zeiträume hinweg in Einklang bringt.“

Niels Hovius sagt: „Wenn wir die Rolle von Bergen für den Kohlenstoffkreislauf der Erde in einem allgemeineren Sinne untersuchen wollen, erfordern selbst scheinbar einfache geologische Fragen einen ganzheitlicheren Ansatz. Von besonderem Interesse sind geologisch junge Gebirgsgürtel an Plattengrenzen, wo Karbonat entsteht.“ Gesteine ​​dürften sowohl in der Nähe der Oberfläche als auch in der Tiefe vorherrschen.

„Der heutige Mittelmeerraum und andere vergleichsweise junge Gebirgszüge wie der indonesische Archipel weisen ähnliche geologische Bedingungen und Gesteinsarten auf wie der zentrale Apennin. Die nächste große Frage, vor der wir stehen, ist also, ob Ausgasungen in aktiven tektonischen Gebieten ein globales Phänomen sein könnten.“ Raum und Zeit.“