作者:李曙光等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2017/2/20 13:59:01
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研究发现中国东部上地幔是一巨大的再循环碳库

 

二氧化碳作为最重要的温室气体影响着地球的气候系统。大气二氧化碳和地球内部碳存在着物质交换。如:火山活动将地幔的碳以二氧化碳形式向大气释放;大气二氧化碳会溶解于海水,并以碳酸盐形式沉积于海底,这些沉积碳酸盐又可能在地球板块运动中随俯冲洋壳进入地幔。这样就构成一个全球体系的碳循环。估计这一碳循环的向上排气和向下再循环碳通量显然对认识地球大气二氧化碳含量演化和气候变化趋势是十分重要的。然而由于观测困难,向下进入深部地幔的碳通量估计存在巨大分歧。

最近,中国地球化学家李曙光院士领导的中国地质大学(北京)、中国科学院地质地球物理研究所和中国科学技术大学联合研究团队利用镁同位素示踪全球深部碳循环获得重要进展,发现西太平洋板块俯冲将大量的沉积碳酸盐带入中国东部上下地幔过渡带,使中国东部上地幔形成一个巨大的碳库,且该碳库第四纪以来处于向大气释放大二氧化碳的高峰期。这一研究成果在National Science Review(国家科学评论)(2017)上发表。

基于海底沉积碳酸盐岩(石灰岩,白云岩)与地幔岩石巨大的镁同位素差异,该研究团队于2012年率先提出利用镁同位素揭示地球深部储存的沉积碳酸盐岩。最近,他们通过对中国东部广泛分布大陆玄武岩(一种来自上地幔的岩浆岩)和环太平洋岛弧玄武岩的镁同位素分析发现在中东部上地幔存在一巨大规模的轻镁同位素异常区。该镁同位素异常区分布范围东从大陆沿海向西到大兴安岭-太行山带,北从黑龙江省中俄边界,南至海南岛。除海南岛外,大陆异常区恰好与地震层析成像所揭示的西太平洋板块向中国东部大陆下俯冲,在地幔过渡带(410-660公里深)滞留的俯冲板片分布区完全重合。

研究团队论证了大陆地幔镁同位素异常区与太平洋俯冲滞留板片的成因联系,指出中国东部的大规模地幔镁同位素异常是西太平洋板块俯冲携带沉积碳酸盐进入地幔的结果,并提出了一个深部碳循环模型。

自晚侏罗世(约1亿6千5百万年前)开始,西太平洋板块向东亚大陆下俯冲。它们携带的镁质碳酸盐可随同板块俯冲到地幔过渡带深度,并在高温高压条件下发生部分熔融,生成富含碳酸盐的熔体。该富含碳酸盐熔体向上渗滤交代上覆的上地幔岩石,形成碳酸盐化橄榄岩。当碳酸盐化地幔橄榄岩随地幔对流上升至约300公里时,它又发生部分熔融产生玄武岩浆并喷出地表。在这两次熔融过程中,碳酸盐都优先进入熔体,并将轻镁同位素特征带入玄武岩浆。因此,中国东部上地幔是一个大的再循环碳酸盐存储库。它的碳存储,和后来通过火山作用强烈向大气释放,均会对大气温室气体含量和气候产生影响。对中国东部具有轻镁同位素异常特征的大陆玄武岩的喷发年龄统计表明,它们最早于约1亿年前开始喷发,在2千万年前火山喷发活动开始加速。在距今2百万年的第4纪达到高峰。据此,他们提出监测中国东部休眠火山(如长白山,五大连池,等)和郯庐断裂带的现代二氧化碳排放量十分重要。

国际著名地球化学家Albrecht W. Hofmann教授为该文撰写了评论,指出该研究对深部碳循环研究提供了关键信息。“由于前人对进入对流地幔的碳通量估计是0-52百万吨/年,因而并不清楚地幔与外大气圈的碳交换到底是循环过程,还是仅仅由地幔向大气圈的单向排气过程。”因而“如果能鉴别出在大的地幔区域中存在俯冲再循环碳酸盐岩,将会给我们认识全球碳循环的向下循环部分提供了新的信息。”(来源:科学网)

全文可免费下载:

https://academic.oup.com/nsr/article/2615249/Deep-carbon-cycles-constrained-by-a-large-scale

 
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