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【前沿报道】Nature:俯冲的碳
2019-11-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  对于人类而言,碳是地球上最重要的元素之一。碳循环影响着大气-海洋-生物甚至固体地球各圈层以及人类的生命。另一方面,碳是一个容易跨越多圈层迁移的元素。地球上90%以上的碳深埋于地球内部,超过2/3的碳可能存在于地球内核。大气中的CO2被海水溶解并沉淀进入沉积物、大洋地壳和橄榄岩地幔中,同时深部地幔的岩浆作用通过岛弧火山、离散边界等排出巨量的CO2进入大气(图1)。作为温室气体,大气中CO2的增加能导致温室效应并影响全球气候。碳是如此重要,但是碳在地球圈层是如何循环的?这是地球科学交叉领域中最为前沿的问题之一。时值Nature创刊150周年之际,PlankManning发表了题为Subducting carbon的综述文章来阐述俯冲带碳循环的动力学过程。 

1 地球深部碳循环可以主要分为三个阶段: (I)俯冲带碳的沉淀,包括碳酸盐沉积物、碳酸盐蚀变洋壳、碳酸盐蛇纹岩以及有机碳; (II) 俯冲带碳的运移,包括碳在弧下深度通过混杂岩的底辟作用、变质作用脱碳、板块顶部的熔融作用等,以及剩余碳进入深部地幔; (III)碳在岛弧,离散边界等将碳排出到地表(据Plank and Manning, 2019修改)

  Plank and Manning2019)估计了碳循环各个环节的通量,估算火山喷发的碳排放为79±9 megaton/year,而碳汇量为82±4 megaton/year,这表明全球碳通量近乎持平(图2)。尽管与Kelemen and Manning2015)的结论相近,但他们估计沉积物中的碳是俯冲板块中最主要的成分。100 m厚的超微化石软泥含有的碳相当于整个洋壳的含碳量。碳汇量可能取决于方解石补偿深度(calcite compensation depth,简称CCD,指海洋中方解石生物壳体的沉降速率等于溶解速率时的深度,通常标志含碳-无碳沉积物的分界深度)和有机碳的补给与埋藏。在TongaAleutianKuriles-Kamchatka海沟几乎没有沉积碳,而CascadiaNew Zealand俯冲带都有大量的沉积碳,印度-亚洲碰撞带则携带大量的有机碳进入海沟。另外,在白垩纪和古新世-始新世暖期,方解石补偿深度是3500 mPalike et al., 2012),比现今的5000 m深度浅,并形成碳酸盐洋壳。这些不同俯冲带/碰撞带的碳汇量差异性,是不同俯冲构造环境下多种因素影响的结果。 

2 碳通量平衡:地幔摄取的碳与排出的碳近乎相等(Plank and Manning, 2019

  俯冲带碳酸盐的物理化学性质是理解碳循环动力学的关键。传统的观点认为只有在板块非常热的情况下,俯冲板块在弧下深度才能释放碳,比如Cascadia板块。这种观点通常低估了碳循环的效率,且与俯冲带岛弧岩浆排碳的观测相矛盾。最近的研究发现,碳(碳酸盐物质如方解石、文石、白云石、菱镁矿、菱铁矿)易被流体溶解形成含碳流体、板块顶部的混杂岩形成底辟构造或者板块顶部的脱水熔融(尤其是沉积物的熔融)而进入硅酸盐熔体等方式在弧下深度进入上覆地幔楔。这些机制中的一种或更可能的是多种,因此碳循环的效率要比传统的观点高很多。变质脱碳过程可能发生于所有俯冲带,但控制这些脱碳效率的关键则在于板块本身的性质。例如在冷俯冲带Tonga,主要俯冲的是碳酸盐蚀变玄武岩,板块含有少量的碳,并且脱水作用弱,使得脱碳效率低;而与之相对应地,以碳酸盐沉积物为主的热的Cascadia板块的脱碳效率高(3) 

  挥发分(以C-O-H为主)的存在会极大地降低岩石的熔点。在400 km深度左右,碳酸盐蚀变玄武岩的达到发生熔融的温压条件(Thomson et al., 2016)。但是金伯利岩的橄榄石捕虏体的研究表明:随着压力增大,更多的Fe3+溶于地幔硅酸盐中,地幔氧逸度也降低(Frost and McCammon, 2008)。深部还原环境的地幔会将碳还原为石墨、金刚石和碳化物。例如,Rohrbach and Schmidt2011)认为在超过250 km深度,地幔中Fe是饱和的,因此碳会以金刚石的形式存在,俯冲板块将这些惰性的碳运移到更深的地幔。在转换带深度发生部分熔融的碳酸盐岩熔体像水一样,具有很强的流动性。这些熔体通过高孔隙通道进入周围地幔,可能在岩石圈下方形成含金刚石的金伯利岩(Sun and Dasgupta, 2019)。 

3 全球几个俯冲带的碳摄入方式(Plank and Manning, 2019

  俯冲过程能产生大量的火山作用。CO2通过火山喷出,但目前的技术手段都很难测量原岩中的CO2含量。大量的碳以碳酸盐溶于熔体中,超过1 wt% CO2达到了过饱和,因此熔体穿过地壳时可能丢失部分碳,加上大气中的CO2干扰,使得对原岩中碳含量的估计失准。近来新发展的一种技术是测量CO2/S比值。当岛弧具有高CO2/S比值时,则表明与俯冲的沉积碳相关;反之则没有沉积碳。另一种方法是火山气体中碳同位素比值δ13C(注:δ13C是一个的重/轻碳同位素(13C/12C)对比指标,以南卡罗来纳州Pee Dee 箭石13C/12C0,表示为相对Pee Dee箭石中13C/12C的偏差,与俯冲带有机碳的含量呈正相关)。综合C-S-He系统计算,Plank and Manning2019)认为岩浆原岩中的CO2达到1 wt%,这是洋中脊玄武岩的10倍。 

  Plank and Manning2019)认为俯冲碳不是一个稳态过程,在不同俯冲带也相差甚远。在这篇综述里,他们提出了3个主要观点: 1 碳俯冲的动力学过程与俯冲带构造背景相关;(2)碳俯冲的差异性来自于沉积物;(3)不同碳形式的循环效率不是单一的。 

  尽管该文试图定量描述俯冲带碳循环的动力学过程,但我们依然需要清醒地认识到,当前大多研究对俯冲带碳通量的估算过度简化,如果考虑俯冲带的三维结构和非均匀性、考虑碳汇和碳释放通量垂直方向随温压的变化等(图4),估算的难度将大大增加。Plank and Manning2019)指出,由于俯冲带系统的复杂性,导致碳循环效率存在巨大差异,制约了我们对地质历史气候系统的定量评估,需要迫切开展跨学科的对俯冲碳循环系统中碳汇、运移、释放和深部金刚石的研究,来更好地限定全球环境效应。 

4 不同俯冲带碳减少量(carbon removal)的估计(Plank and Manning, 2019

  可以断定开展俯冲带深部结构-成分多学科高分辨率探测、岩石物理实验和地球动力学模拟的综合研究是本领域未来的必然趋势。    

  主要参考文献 

  Frost D J, McCammon C A. The redox state of Earth's mantle[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2008, 36: 389-420.链接 

  Kelemen P B, Manning C E. Reevaluating carbon fluxes in subduction zones, what goes down, mostly comes up[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(30): E3997-E4006.链接 

  Palike H, Lyle M W, Nishi H, et al. A Cenozoic record of the equatorial Pacific carbonate compensation depth[J]. Nature, 2012, 488(7413): 609-614.链接 

  Plank T, Manning C E. Subducting carbon[J]. Nature, , 2019, 574: 343-352.链接 

  Rohrbach A, Schmidt M W. Redox freezing and melting in the Earth’s deep mantle resulting from carbon–iron redox coupling[J]. Nature, 2011, 472(7342): 209.链接 

  Sun C, Dasgupta R. Slab–mantle interaction, carbon transport, and kimberlite generation in the deep upper mantle[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 506: 38-52.链接 

  Thomson A R, Walter M J, Kohn S C, et al. Slab melting as a barrier to deep carbon subduction[J]. Nature, 2016, 529(7584): 76–79.链接 

(撰稿:杨建锋,赵亮/岩石圈室)
 
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