中国科大合作提出地幔深部碳封存导致高氧化地幔端元的形成

近日，我校地球和空间科学学院王文忠特任教授与中国地质大学（北京）同位素地球化学实验室王水炯教授课题组合作开展联合研究，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，简称“HOME“），其形成与再循环碳在地幔深部的封存密切相关。进一步估算表明，中国东部大地幔楔深部自新生代以来封存了约2.4万亿吨的再循环碳（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。地幔深部碳封存和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，相关成果以“Highly oxidized intraplate basalts and deep carbon storage”为题发表在《Science Advances》。

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，目前都不宜居（图1）。地球之所以演化成一个宜居性星球，一个关键过程是深部碳循环将地球早期大气中浓密的CO₂输送到地球深部封存。大约三十亿年前，地球板块构造启动，板块俯冲可将海洋沉积碳酸盐输送到地幔深部，其中部分碳通过幔源火山回到大气。深部碳循环对调控地质历史尺度的气候变化具有重要作用。

图1  类地行星大气CO₂浓度及表面温度

我国科学家在板块俯冲机制下的深部碳循环领域做了大量工作，一系列同位素证据表明东亚大地幔楔是一个巨大的碳库。为了进一步查明此类深部碳循环对地幔氧化还原状态的影响，研究团队以中国东部典型新生代陆内玄武岩的全岩Fe³⁺/∑Fe比值为切入点，并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影响后，研究团队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，中国东部板内玄武岩的Fe³⁺/ΣFe比值与CaO/Al₂O₃、Zr/Nd、Ti/Ti*，Hf/Hf*，δ²⁶Mg及δ⁶⁶Zn等地球化学指标存在显著相关性，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）。碳酸盐与Fe²⁺发生氧化还原反应4Fe²⁺ + C⁴⁺ = 3Fe³⁺ + C⁰（金刚石），形成Fe³⁺和金刚石。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）。进一步，通过玄武岩的Fe³⁺/ΣFe大致估测中国东部地幔过渡带潜在的再循环碳封存达约2.4万亿吨，相当于工业革命前大气中碳储量的四倍。

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

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。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adm8138