在人类文明发展的进程中，大量碳排放带来的全球气候变暖已成为全人类共同面临的挑战。为了科学应对这一危机，我们需要溯源地球的历史，理清地质时期的碳循环规律。然而，地球就像一个精密的联动系统：深藏地下的岩石圈通过构造运动向外释放二氧化碳，而表层的海洋、植被与风化作用则在不断吸收二氧化碳，两者构成了地球的“呼吸系统”。
长期以来，地球科学研究中存在一个棘手的难题：地球深部动力学和地表气候变化的学者往往关注不同的时空尺度，导致目前尚未能建立起一个将深部碳释放与表层碳响应有效耦合的“跨圈层”综合碳循环模型。由中国科学院地质与地球物理研究所牵头的国家重点研发计划项目“地球深部-表层碳循环”，正是为了打破这一学科屏障，构建起贯通地球深部与表层的“碳循环数字全景图”。
破译“跨圈层”的耦合密码
研究团队以地球系统科学思维为指导，将重点突破深部碳驱动与表层碳响应之间的耦合机制。在深部碳循环方面，项目组基于大数据与人工智能技术，整合前期积累的深部地球物理、地球化学及地质观测数据，构建统一的深部碳通量数据库，并解析其时空演化规律及碳迁移路径。在表层碳循环方面，研究重点围绕硅酸盐风化和碳埋藏过程展开，通过高分辨率古气候记录与数值模拟，量化风化剥蚀对大气 CO2浓度演化的影响，定量模拟气候与风化系统对CO2浓度突变的响应和韧性。
实现跨圈层模拟的关键在于模型耦合技术的研发。研究团队计划通过异步平行算法将深部和表层碳循环模块耦合，形成兼容地球系统模型（Community Earth System Model，简称CESM）的耦合模型，实现对跨圈层碳循环的综合模拟。这一模型就像一个可以“穿越时空”的实验室，不仅能让我们复盘新生代气候变冷期间“风化碳汇”与“深部碳源”的动态博弈，更能带领我们深入研究寒武纪动物爆发、奥陶纪末期生物灭绝等重大异常事件，从多圈层视角解析碳循环如何精密地调控着环境与生命的协同演化。项目依托地学领域的全国重点实验室及高水平超算中心，拥有国际一流的仪器设备和技术研发能力，为数值模拟和测试分析工作的顺利开展提供了有力保障。
迈向未来的探索之路
在未来的研究工作中，项目组将充分发挥多学科交叉的优势，重点推进以下三个方面的工作：一是持续完善深部碳通量数据库，进一步提升数据清洗与机器学习模型在恢复母岩浆CO2含量上的精准度；二是优化深部-表层模型耦合算法，实现模块间数据的双向高效传递与动态闭环模拟；三是将耦合模型应用于更多典型地质历史时期，深入探讨地质碳循环机制在不同时空尺度下的主控因素及其环境效应。通过本项目的实施，研究团队期望能够为开展地球系统多圈层相互作用视角下的碳收支评估提供坚实的技术和科学支撑。
图 “地球深部-表层碳循环”的主要研究内容
