董栩含：深部碳封存和高氧化地幔端元（HOME）【SA，2024】

发布时间: 2024-08-09 15:25:46 浏览次数 : 878 来源:中国地质大学（北京）

地球的两个邻居，金星和火星，前者大气充满了CO2，后者几乎没有CO2，目前并不宜居。地球之所以演化成一个宜居性星球，一个关键因素是通过深部碳循环将地球早期大气浓密的CO2输送到地球深部封存。地球演化历史过程中存在两类碳循环：(1)早期岩浆洋阶段的碳循环使得地球原始大气CO2分压从>100 kbar降低几个数量级，奠定了地球宜居大气的雏形;(2)板块构造启动以来，板块俯冲将海洋沉积碳酸盐输送到地幔深部，其中部分通过幔源火山返还大气。这些深部碳循环对调控地质历史尺度气候变化具有重要作用。

我国科学家在板块俯冲体制下的深部碳循环领域做了大量工作，发现东亚大地幔楔是一个巨大的碳库。西太平洋板块西向俯冲并滞留地幔过渡带，不仅携带大量表生碳至东亚大地幔楔，部分深俯冲碳酸盐还通过歧化反应还原成金刚石，并同时氧化低价铁离子，从而深刻影响大地幔楔的氧化还原状态。

近日，中国地质大学(北京)同位素地球化学实验室王水炯教授课题组和国内外合作者开展联合研究，发现全球板内玄武岩存在一个共同高氧化地幔端元Highly Oxidized Mantle Endmember(HOME)，它的形成和再循环碳深部封存密切相关，以此估算中国东部大地幔楔深部自新生代以来封存了约2400Gt的再循环碳(相当于4倍于工业革命前大气碳总量)，形成了中国东部独特的高度氧化的新生代板内玄武岩。深部碳封存和HOME的形成对地幔的热动力学演化以及表生气候的调控具有重要意义。

研究团队以中国东部典型新生代陆内玄武岩的全岩Fe3+/∑Fe(总铁)为切入点，对比全球洋岛玄武岩，发现板内玄武岩的Fe3+/∑Fe比值显著高于洋中脊玄武岩(MORB)。在评估并排除了地表风化和岩浆结晶分异等过程的潜在影响因素后，推测玄武岩高度氧化的特征是继承了其源区的性质。研究发现：

中国东部新生代玄武岩的Fe3+/ΣFe比值高于洋中脊玄武岩，与岛弧玄武岩类似，但与U/Pb与Th/Ba比值呈正相关关系(图1)。由此推测，中国东部新生代玄武岩的高度氧化的特征与经历过俯冲脱水的深俯冲太平洋板块有关。后者因Pb、Ba在热水流体中的高活动性和丢失使的脱水俯冲板片具高U/Pb和Th/Ba。

全球 OIB在Fe3+/ΣFe对U/Pb和Th/Ba图上也表现出具正相关关系(图1)，说明高氧化地幔(HOME)端元不限于大地幔楔，全球板内玄武岩的地幔源区也存在高氧化地幔(HOME)端元。

玄武岩的Fe3+/ΣFe比值与CaO/Al?O?、Zr/Nd、Ti/Ti*，Hf/Hf*，δ26Mg及δ66Zn等地球化学参数之间的显著相关性，表明该HOME端元为再循环碳酸盐化洋壳低比例熔融形成的碳酸盐熔体(图2);

玄武岩的高Fe3+/Σ Fe比值是通过4Fe2+ + C4+ = 3Fe3+ + C0(金刚石)实现，第一性原理计算表明上地幔底部金刚石密度高于碳酸盐化熔体，反应形成的金刚石和熔体因密度差而发生有效分离，一方面产生HOME端元，另一方面导致深部碳封存(图3);

通过玄武岩的Fe3+/Σ Fe大致估测中国东部地幔过渡带潜在的再循环碳封存达约2400千兆吨(Gt)，相当于工业革命前大气中碳储量的四倍。

图1 中国东部新生代板内玄武岩的Fe3+/∑Fe与U/Pb和Th/Ba的关系

图2 中国东部新生代板内玄武岩Fe3+/∑Fe与再循环碳酸盐特征的相关性

图3高氧化地幔端元(HOME)的形成机制

以上成果以“Highly oxidized intraplate basalts and deep carbon storage”为题，发表在国际权威期刊《Science Advances》上。论文第一作者为中国地质大学(北京)博士生董栩含，通讯作者为中国地质大学(北京)王水炯教授和中国科学技术大学王文忠特任教授，合作者包括美国田纳西大学诺克斯维尔分校黄士春教授，中国科学院地质与地球物理研究所李秋立研究员、吴石头高级工程师，中国地质大学(北京)李曙光院士以及中国科学院地球化学研究所刘承帅研究员、高庭博士后。中国地质大学(北京)为第一单位，该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、和深时数字地球前沿科学中心项目的联合资助。

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm8138