通过天山玄武岩省实现深度碳循环及其对新生代大气二氧化碳浓度升高的贡献

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Deep carbon recycling via the Tianshan basalt province and its contribution to Cenozoic elevated atmospheric CO 2 concentration

天山玄武岩Mg-Ca-Sr-Nd-Pb同位素分析表明古亚洲洋碳酸盐俯冲至深部地幔过渡带（MTZ），经蛇纹石化改造后在新近纪哺乳动物期通过岩浆活动释放CO2，其通量达0.3-0.5Pg/a，对大气CO2浓度和古气候产生显著影响。

　　碳循环是地球系统中一个至关重要的过程，它不仅影响着地球内部和地表之间的物质交换，还在全球气候变化中扮演着关键角色。近年来，科学家们对碳如何在地球的不同圈层之间流动进行了深入研究，尤其是在板块构造活动背景下，海洋碳酸盐如何通过俯冲作用进入地幔，并最终通过火山活动返回大气层。这一过程被称为“深部碳循环”，其研究对于理解地球的长期气候演变、碳储存机制以及地幔动力学具有重要意义。

本研究聚焦于新生代时期，通过分析中国西部天山地区碱性玄武岩的同位素组成和地球化学特征，探讨了新特提斯洋俯冲带碳酸盐的来源及其对大气二氧化碳浓度的影响。新特提斯洋是一个曾经横跨亚洲和非洲之间的巨大海洋，其宽度超过7000公里。随着新特提斯洋的闭合，其洋壳和相关的碳酸盐沉积物被俯冲至欧亚板块之下，进入地球深部。这一过程不仅改变了地幔的化学组成，还可能影响了地表的碳循环和大气环境。

研究团队通过对天山地区新生代碱性玄武岩的系统分析，发现这些玄武岩具有显著的低δ2?Mg（–0.50至–0.37‰）和低δ??/??Ca（0.48至0.86‰）值。这些同位素异常与地幔源区的特征存在明显差异，表明这些玄武岩的形成可能受到深部碳酸盐物质的影响。具体而言，这些碳酸盐主要来源于海洋沉积物，包括方解石和菱镁矿等矿物。这些碳酸盐在俯冲过程中被带入地幔过渡带（MTZ），并在随后的地质历史中，通过地幔熔融和火山活动释放出大量的二氧化碳，从而影响了新生代的大气环境。

地幔过渡带是地球内部的一个重要区域，位于地表以下约410至660公里之间。这个区域的温度和压力条件适合碳酸盐矿物的稳定存在，因此被认为是深部碳储存和循环的关键场所。当俯冲板块到达地幔过渡带时，碳酸盐可能在高压低温条件下被部分保留，而不是完全被脱水和熔融过程所消耗。这些被保留的碳酸盐随后可能被带入更深的地幔层，或者通过地幔柱活动被带到地表，形成大规模的火山喷发。

研究中采用的多种地球化学方法，包括镁、钙、锶、钕和铅的同位素分析，以及主微量元素和微量元素地球化学数据，为识别碳酸盐的来源和演化提供了强有力的证据。这些方法不仅能够区分不同来源的碳酸盐，还能揭示它们在地幔中的行为和影响。例如，镁和钙的同位素组成可以反映碳酸盐在地幔中的作用，而锶、钕和铅的放射性同位素则有助于追踪碳酸盐的来源和演化路径。

此外，研究团队还结合了数值模拟和二氧化碳释放通量的计算，进一步验证了碳酸盐在地幔中的循环路径。他们的计算表明，天山地区新生代玄武岩的二氧化碳释放通量约为0.3至0.5皮克/年（Pg/a），这一数值与印度-亚洲碰撞相关的火山活动释放的二氧化碳量相当。这一发现表明，天山地区的火山活动在新生代大气二氧化碳浓度的变化中起到了重要作用，甚至可能影响了当时的气候条件。

从更广泛的视角来看，这一研究不仅揭示了碳酸盐在地幔中的循环机制，还强调了地幔柱活动和板块俯冲过程在地球碳循环中的重要性。传统的地球化学方法在追踪碳酸盐的来源和演化方面存在一定的局限性，而镁和钙的稳定同位素则提供了一种新的、独立的约束手段。这种方法能够更准确地识别碳酸盐的来源，并揭示其在地幔中的行为。

在全球碳循环的背景下，海洋碳酸盐的俯冲和释放是一个重要的碳输入和输出途径。研究表明，俯冲带的碳输入量远大于弧火山活动的碳输出量，这意味着大量的碳可能被储存在地幔深处，而不是完全返回大气层。这种碳的长期储存对于地球的碳平衡和气候变化具有深远的影响。特别是在新生代，由于大规模的板块碰撞和俯冲活动，地球的碳循环可能经历了显著的变化，这些变化不仅影响了大气中的二氧化碳浓度，还可能对全球气候产生了深远的影响。

天山地区的玄武岩作为新生代碱性岩浆活动的产物，其地球化学特征提供了重要的线索。这些玄武岩不仅显示出碳酸盐的影响，还可能与地幔柱活动有关。地幔柱是一种从地核-地幔边界上升的热物质流，其活动可以导致地表大规模的火山喷发和地壳变形。天山地区的火山活动可能正是由地幔柱的热物质上升所驱动，而这些热物质可能携带了来自俯冲带的碳酸盐物质。这种多因素的相互作用使得天山地区的火山活动成为研究深部碳循环的重要窗口。

研究还指出，虽然一些钙和镁的同位素分馏可能在岩浆演化过程中发生，但这种分馏在高温条件下相对有限。因此，通过分析这些同位素的异常，可以更准确地识别碳酸盐的来源，并排除其他可能的地质过程的影响。例如，地壳物质的混入或后期变质作用可能会改变玄武岩的同位素组成，但研究团队通过系统分析排除了这些因素，确认了碳酸盐在地幔源区的主导作用。

总之，这项研究为理解深部碳循环提供了新的视角和证据。通过分析天山地区新生代玄武岩的同位素组成和地球化学特征，研究团队揭示了碳酸盐在地幔中的作用及其对大气二氧化碳浓度的影响。这些发现不仅有助于我们更全面地认识地球的碳循环机制，还可能为未来的气候模型提供重要的数据支持。此外，研究还强调了地幔柱活动和板块俯冲过程在地球系统中的关键作用，为我们理解地球的长期演化提供了新的思路。