东非Magadi-Natron盆地深部地幔碳迁移的岩石圈控制机制

本研究针对大陆裂谷区地幔CO2 排放与气候变化的关联问题，通过建立碳酸盐交代岩石圈地幔（CMML）的二维热力学模型，揭示了碳从古老克拉通向相邻活动带迁移的动力学过程。研究发现，CMML的密度、厚度和水含量是控制CO2 脱气通量（0.19–0.56 Mt./yr）的关键因素，为东非裂谷系统的碳循环机制提供了定量依据。

　　

地球深部的碳循环如何影响地表气候？这个问题的答案可能藏在东非大裂谷的岩浆活动中。长期以来，太古宙克拉通岩石圈被视为巨大的碳储库，其底部富碳熔体被截留，通过裂谷活动释放大量地幔CO₂
。然而，碳如何从稳定的克拉通迁移到邻近年轻的活动带，一直是未解之谜。Magadi-Natron盆地作为东非裂谷系统（EARS）的典型代表，其184公里长的裂谷带记录着坦桑尼亚克拉通与莫桑比克活动带边界的碳迁移过程，但驱动机制尚不明确。

中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队在《Tectonophysics》发表的最新研究中，通过二维岩石-热力学数值模拟（使用I2VIS代码），首次定量揭示了碳酸盐交代岩石圈地幔（Carbonate-Metasomatized Mantle Lithosphere, CMML）在裂谷作用下的迁移规律。研究发现，当CMML具有低密度（<3.3 g/cm³
）、大厚度（>80 km）和高水含量（>0.6 wt%）时，会沿克拉通边缘侧向平流并上涌至裂谷盆地，形成0.19–0.56 Mt./yr的CO₂
脱气通量。这一成果为理解深部碳循环与地表气候变化的关系提供了动力学框架。

关键技术方法
研究采用I2VIS热力学模拟平台，求解质量-动量-能量守恒方程，设置克拉通（厚200 km）与活动带（厚150 km）的阶梯状岩石圈边界。模型整合了CMML的密度（3.1–3.5 g/cm³
）、厚度（60–100 km）、水含量（0.2–1.0 wt%）等参数，并模拟了0.5–5 mm/yr的伸展速率。CO₂
通量通过脱碳反应（如菱镁矿分解）的热力学计算获得，与Magadi-Natron盆地的实测数据（0.98±0.29 Mt./yr）对比验证。

研究结果

迁移模式
模型识别出三种碳迁移模式：（1）上涌-裂谷型：低密度CMML（Δρ<-0.05 g/cm³
）侧向运移至裂谷底部；（2）单纯上涌型：中等密度CMML仅垂向上升；（3）下沉型：高密度CMML（Δρ>+0.03 g/cm³
）发生拆沉。Magadi-Natron盆地符合第一种模式，其CMML源自坦桑尼亚克拉通180 km深处的再富集层。

控制因素
伸展速率>2 mm/yr时，CMML可完全迁移至裂谷区；水含量>0.4 wt%会降低岩石强度，促进脱碳。模型预测的CO₂
通量（0.19–0.56 Mt./yr）为实测值的下限，暗示断层带可能存在附加碳释放机制。

结论与意义
该研究首次阐明克拉通边界碳迁移的动力学机制：（1）CMML的物理性质（密度、厚度、挥发分）决定其迁移路径；（2）快速伸展（>2 mm/yr）是触发大规模脱碳的关键；（3）东非裂谷的CO₂
排放主要来自克拉通边缘的CMML再活化。这些发现不仅解释了大陆裂谷区的非火山型CO₂
排放，也为评估深部碳对气候变化的潜在影响提供了新视角。