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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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董栩含：深部碳封存和高氧化地幔端元
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董栩含：深部碳封存和高氧化地幔端元（HOME）【SA，2024】 2024-08-08 閱讀：48次 地球的兩個(gè)鄰居，金星和火星，前者大氣充滿(mǎn)了CO2，后者幾乎沒(méi)有CO2，目前并不宜居。地球之所以演化成一個(gè)宜居性星球，一個(gè)關(guān)鍵因素是通過(guò)深部碳循環(huán)將地球早期大氣濃密的CO2輸送到地球深部封存。地球演化歷史過(guò)程中存在兩類(lèi)碳循環(huán)：（1）早期巖漿洋階段的碳循環(huán)使得地球原始大氣CO2分壓從>100 kbar降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，奠定了地球宜居大氣的雛形；（2）板塊構(gòu)造啟動(dòng)以來(lái)，板塊俯沖將海洋沉積碳酸鹽輸送到地幔深部，其中部分通過(guò)幔源火山返還大氣。這些深部碳循環(huán)對(duì)調(diào)控地質(zhì)歷史尺度氣候變化具有重要作用。 我國(guó)科學(xué)家在板塊俯沖體制下的深部碳循環(huán)領(lǐng)域做了大量工作，發(fā)現(xiàn)東亞大地幔楔是一個(gè)巨大的碳庫(kù)。西太平洋板塊西向俯沖并滯留地幔過(guò)渡帶，不僅攜帶大量表生碳至東亞大地幔楔，部分深俯沖碳酸鹽還通過(guò)歧化反應(yīng)還原成金剛石，并同時(shí)氧化低價(jià)鐵離子，從而深刻影響大地幔楔的氧化還原狀態(tài)。 近日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室王水炯教授課題組和國(guó)內(nèi)外合作者開(kāi)展聯(lián)合研究，發(fā)現(xiàn)全球板內(nèi)玄武巖存在一個(gè)共同高氧化地幔端元Highly Oxidized Mantle Endmember（HOME），它的形成和再循環(huán)碳深部封存密切相關(guān)，以此估算中國(guó)東部大地幔楔深部自新生代以來(lái)封存了約2400Gt的再循環(huán)碳（相當(dāng)于4倍于工業(yè)革命前大氣碳總量），形成了中國(guó)東部獨(dú)特的高度氧化的新生代板內(nèi)玄武巖。深部碳封存和HOME的形成對(duì)地幔的熱動(dòng)力學(xué)演化以及表生氣候的調(diào)控具有重要意義。 研究團(tuán)隊(duì)以中國(guó)東部典型新生代陸內(nèi)玄武巖的全巖Fe3+/∑Fe（總鐵）為切入點(diǎn)，對(duì)比全球洋島玄武巖，發(fā)現(xiàn)板內(nèi)玄武巖的Fe3+/∑Fe比值顯著高于洋中脊玄武巖（MORB）。在評(píng)估并排除了地表風(fēng)化和巖漿結(jié)晶分異等過(guò)程的潛在影響因素后，推測(cè)玄武巖高度氧化的特征是繼承了其源區(qū)的性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)： 中國(guó)東部新生代玄武巖的Fe3+/ΣFe比值高于洋中脊玄武巖，與島弧玄武巖類(lèi)似，但與U/Pb與Th/Ba比值呈正相關(guān)關(guān)系（圖1）。由此推測(cè)，中國(guó)東部新生代玄武巖的高度氧化的特征與經(jīng)歷過(guò)俯沖脫水的深俯沖太平洋板塊有關(guān)。后者因Pb、Ba在熱水流體中的高活動(dòng)性和丟失使的脫水俯沖板片具高U/Pb和Th/Ba。 全球 OIB在Fe3+/ΣFe對(duì)U/Pb和Th/Ba圖上也表現(xiàn)出具正相關(guān)關(guān)系（圖1），說(shuō)明高氧化地幔（HOME）端元不限于大地幔楔，全球板內(nèi)玄武巖的地幔源區(qū)也存在高氧化地幔（HOME）端元。 玄武巖的Fe3+/ΣFe比值與CaO/Al2O3、Zr/Nd、Ti/Ti*，Hf/Hf*，δ26Mg及δ66Zn等地球化學(xué)參數(shù)之間的顯著相關(guān)性，表明該HOME端元為再循環(huán)碳酸鹽化洋殼低比例熔融形成的碳酸鹽熔體（圖2）； 玄武巖的高Fe3+/Σ Fe比值是通過(guò)4Fe2+ + C4+ = 3Fe3+ + C0（金剛石）實(shí)現(xiàn)，第一性原理計(jì)算表明上地幔底部金剛石密度高于碳酸鹽化熔體，反應(yīng)形成的金剛石和熔體因密度差而發(fā)生有效分離，一方面產(chǎn)生HOME端元，另一方面導(dǎo)致深部碳封存（圖3）； 通過(guò)玄武巖的Fe3+/Σ Fe大致估測(cè)中國(guó)東部地幔過(guò)渡帶潛在的再循環(huán)碳封存達(dá)約2400千兆噸（Gt），相當(dāng)于工業(yè)革命前大氣中碳儲(chǔ)量的四倍。 圖1 中國(guó)東部新生代板內(nèi)玄武巖的Fe3+/∑Fe與U/Pb和Th/Ba的關(guān)系 圖2 中國(guó)東部新生代板內(nèi)玄武巖Fe3+/∑Fe與再循環(huán)碳酸鹽特征的相關(guān)性 圖3高氧化地幔端元（HOME）的形成機(jī)制 以上成果以“Highly oxidized intraplate basalts and deep carbon storage”為題，發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Science Advances》上。論文第一作者為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）博士生董栩含，通訊作者為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）王水炯教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王文忠特任教授，合作者包括美國(guó)田納西大學(xué)諾克斯維爾分校黃士春教授，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李秋立研究員、吳石頭高級(jí)工程師，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）李曙光院士以及中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所劉承帥研究員、高庭博士后。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）為第一單位，該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、和深時(shí)數(shù)字地球前沿科學(xué)中心項(xiàng)目的聯(lián)合資助。 全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm8138 |
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