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Nature:地球构造碳传送带的演化
2022-06-07 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地球深部碳循环过程可以形象地看作一个由板块构造驱动的传送带模型,其中海沟和洋中脊是该传送带两端的两个滑轮。来自于生物和非生物源的碳从对流地幔、大气和海洋中进入该传送带并存储在大洋岩石圈、洋壳和深海沉积物中。在俯冲过程中,这些碳沿着海沟进入到地球内部,其中一部分碳会由于板片的脱碳作用又返回到地表,而另一部分则会俯冲到地球深部。这些深俯冲的碳最终又会随着对流地幔在洋中脊处释放到海水和大气中去,从而形成一个完整的循环。虽然现今俯冲带和洋中脊处的构造碳通量可以通过多种方法来直接测量,但这些关键储库内的碳通量随地质时间的演化还缺少定量的研究。 

  近期,澳大利亚科学家Müller et al. (2022)利用全球的板块运动模型重建了过去250 百万年以来储存于大洋岩石圈地幔、地壳以及深海沉积物中的碳通量,并结合热动力学模拟的结果和现今的测量数据,对俯冲带和洋中脊处的碳排放通量进行了估计,并将结果与对应时期的古气候指标进行对比,对三叠纪以来全球气候变化的原因作出了新的解释,相关研究成果发表在Nature上。 

  控制地球构造碳传送带的几个关键参数包括:板块边界的长度、板块扩张和汇聚的速率、俯冲洋壳的年龄、俯冲板片的倾角以及俯冲带特性(增生或侵蚀前缘)。作者结合之前建立的方法和最新的控制参数,分别计算了大洋岩石圈内各个储层中的碳面积密度以及总的碳面积密度(图1)。这些储库包括上地壳、岩石圈地幔、慢速扩张洋壳处的蛇纹石化、由于板块在俯冲前的弯曲和断裂导致的蛇纹石化、深海碳酸盐沉积物。这些储库的演化表明,在过去250 百万年期间,大洋板块总的碳储量大幅增加,且主要归结于自白垩纪以来深海碳酸盐沉积物中碳储量的增加。这些沉积物在150 百万年之前,即盘古大陆拼合和早期裂解期间基本上不存在,因为它们仅限于大陆架海域。 

1 大洋岩石圈总的碳面积密度。碳的存储包括岩石圈地幔、地壳和沉积物储层。50百万年以来板块碳储量的大幅增加主要是来自于大量的远洋碳酸盐的沉积物。带白色轮廓的黑线表示大洋中脊,带锯齿的白线表示俯冲带。深灰色区域为大陆,中灰色表示没有数据的区域。箭头线的方向和长度与板块移动的方向和速度相对应(Müller et al., 2022)

  通过结合热动力学模拟的结果,Müller et al. (2022)对俯冲过程中板片在弧下深度(<125 km)由于脱碳反应损失的碳通量和存储在板片中继续深俯冲的碳通量进行了估算(图2)。除了远洋碳酸盐沉积物以外,其他俯冲储库进入到弧下地幔的碳通量都很小(图2a),碳的流出通量从120 Ma接近零增加到现今的49 MtC yr-1,这个巨大的变化反映了深海碳酸盐沉积的逐渐增加。这些在弧下深度释放的碳一部分存储在上覆板块内,一部分通过火山作用和扩散排气释放到了大气中(图3a)。大多数俯冲板片都比较冷,使得在弧下深度地壳和地幔的脱气效率都很低,因此储存在地壳和地幔内的碳酸盐可以稳定的进入到地幔深部(图2b)。这是因为大多数板片太冷以至于无法有效的脱碳。这些保存在俯冲板片中的碳最终会混合到上地幔的深部,并推断可能在地幔过渡带顶部(410km)以碳酸盐熔融物的形式聚集,可能与地幔过渡带顶部的低速层有关(Sun et al., 2020)。在200-60 Ma阶段,板片内存储的碳通量显著增加,同时在环太平洋区域内发生大量的板内火山机制,这表明俯冲导致地幔转换带同时富集水和CO2,可能为镁铁质的板内火山机制的重要源区(Safonova et al., 2015)。此外,蚀变地壳碳酸盐的俯冲被认为是金刚石形成的主要碳源(Li et al., 2019)。北美大陆内部金伯利岩的出现位置与古俯冲带相平行(图2c),表明低角度的俯冲可能向大陆岩石圈下方输送高盐流体,导致地幔发生交代作用从而形成金刚石。这些金伯利岩形成的三个峰值(170-150 Ma110-90 Ma70-50 Ma)与板片储存的碳通量的三个峰值(170 Ma125 Ma80 Ma)在时间上有大约15 Myr的滞后(图2b),这与俯冲碳酸盐岩运移到金刚石形成深度(200 km以上)所需的时间一致。 

2 a)碳在弧下深度(<125 km)从板片流入地幔的通量;(b125 km 深度以下的板片中存储的碳通量。虚线直方图表示北美金伯利岩侵位年龄的相对频率(n=363),以10 Myr间隔显示;(c)现今北美下方的碳面积密度,其中绿色圆圈代表年龄编码的金伯利岩(Müller et al., 2022)    

  地球构造碳传送带对大气中的CO2有着复杂的影响。Müller et al. (2022)将构造碳通量与古气候的指标进行了对比(图3),对250百万年以来的气候变化提出了新的解释: 

  1)在侏罗纪(150百万年)以前,模拟的CO2构造排气通量逐渐减小(图3b),这与全球表面温度的趋势一致(图3d)。此外,大陆弧长的逐渐增加,在150 Ma左右达到峰值,表明弧风化作用的增强导致该时期大气的CO2浓度显著下降(图3c)。 

  2)在晚侏罗纪(160 Ma)到早白垩纪(125 Ma)时期,模拟的构造排气通量显著增加,而这一时期大气中的CO2浓度仅从约700 ppm适度增加至约1200 ppm,意味着需要额外的CO2消耗来解释该现象。尽管大陆弧长度在这一时期也是减少的,作者认为盘古大陆裂解后进一步的大陆扩散所引起的风化作用促进了对大气中的CO2的消耗(Goddéris and Donnadieu, 2019) 

  3)中白垩纪时期(130-90 Ma)全球温度明显上升,但大气中的CO2浓度增加并不明显。这一升温可能是由于该时期的大陆面积小(图3d),广阔的大洋和高太阳光照导致气候的敏感性增加。 

  4)在新生代时期,模拟的构造排气通量在50-35 Ma期间显著下降,同时全球温度也明显降低。尽管CO2指标数据显示该时期大气的CO2变化很小,但是最新基于植烷测量的结果表明大气的CO2浓度明显降低。并且逐渐增加的大陆面积提供了理想的硅酸盐风化环境,可能也与该时期的CO2浓度降低有关。 

  5)在16 Ma以后,模拟的构造排气通量大约增加了30%,而温度和大气中的CO2浓度都在减小,这表明新近纪的全球变冷主要是由增加的大陆风化消耗大气的CO2所导致(Li et al., 2021) 

   Müller等人的工作为地球构造碳传送带模型提供了定量化的约束,其结果向传统的观点发起挑战,认为固体地球排气不是仅由板块构造驱动,相反,新近纪深海沉积碳酸盐岩储层的生长对俯冲带的排气有着重要的贡献。然而,这些修正后的构造碳通量还需要在未来的全球碳循环模型中进行验证和完善。 

3 主要的构造碳通量与古气候指标和大陆弧长的对比(Müller et al., 2022)。(a)进入125 km深度以下俯冲板块总的碳通量(红色),与沿俯冲带进入大气中的碳通量(橙色)和上覆板片存储的碳通量(深蓝色)进行比较,阴影部分表示误差包络;(b)碳从洋中脊(浅蓝色)、俯冲带(橙色)的排气通量和总的固体地球排气通量(黑色);(c)大气CO2浓度来自具有95%置信区间的指标数据(黑色)和基于植烷的估计值(红色圆圈),以及基于板块运动模型得到的大陆弧长度(蓝色);(d)大气的表面温度(黑色),阴影部分表示95%置信区间,以及重建的大陆面积变化(蓝色) 

  主要参考文献 

  Goddéris Y, Donnadieu Y. A sink-or a source-driven carbon cycle at the geological timescale? Relative importance of palaeogeography versus solid Earth degassing rate in the Phanerozoic climatic evolution[J]. Geological Magazine, 2019, 156(2): 355-365. 

  Li K, Li L, Pearson D G, et al. Diamond isotope compositions indicate altered igneous oceanic crust dominates deep carbon recycling[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 516: 190-201. 

  Li S, Goldstein S L, Raymo M E. Neogene continental denudation and the beryllium conundrum[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(42): e2026456118. 

  Müller R D, Mather B, Dutkiewicz A, et al. Evolution of Earth’s tectonic carbon conveyor belt[J]. Nature, 2022, 605(7911): 629-639.原文链接 

  Safonova I, Litasov K, Maruyama S. Triggers and sources of volatile-bearing plumes in the mantle transition zone[J]. Geoscience Frontiers, 2015, 6(5): 679-685. 

  Sun Y, Hier-Majumder S, Xu Y, et al. Stability and migration of slab-derived carbonate-rich melts above the transition zone[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2020, 531: 116000. 

  (撰稿:沈昊,赵亮/岩石圈室)

 
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