深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题

镁同位素示踪深部碳循环研究在过去一年取得了很大进展。这些进展包括蚀变洋壳、沉积物、深海橄榄岩和再循环榴辉岩的Mg同位素组成,具有EM-I和HIMU同位素特征的低δ^(26)Mg玄武岩成因,低δ^(26)Mg玄武岩熔融p-t条件的Mg-Sr同位素制约,Mg同位素揭示的大陆岩石圈地幔的碳酸盐交代作用,特提斯洋俯冲板块导致的深部碳循环,和富Na碳酸盐岩浆的Mg同位素分异。然而仍有许多重要科学问题尚不清楚,包括:(1)如何区分再循环沉积碳酸盐岩和再循环碳酸盐化榴辉岩对地幔Mg同位素的影响?(2)板块俯冲过程中Mg同位素地球化学行为和为什么岛弧玄武岩没有低δ^(26)Mg特征?(3)再循环碳在地幔的储存部位及存留时间?(4)普通碳酸盐岩浆的Mg同位素如何分异?(5)如何示踪那些不含Mg或含Mg很少的再循环碳酸盐,如方解石、文石、菱铁矿?这些问题指明了未来的重要研究领域。

青藏高原南部及邻区深部碳释放规模与成因

不同构造背景下的深部碳释放通量与机制研究对于深刻理解长时间尺度的气候变化具有重要意义,以往的相关研究多集中在洋中脊、大洋俯冲带和大陆裂谷等地质单元,缺少对大陆碰撞带深部碳释放规模与机理的关注,从而制约了对大陆碰撞带深部碳循环过程及其气候环境效应的进一步认识。青藏高原起源于印度和欧亚大陆的碰撞,是研究大陆碰撞带深部碳循环的理想地区。为此,在近年来青藏高原温室气体释放野外观测与研究的基础上,本文估算了高原南部及邻区火山-地热区的CO_(2)释放规模并探讨了其释放模式。气体He-C同位素地球化学与温泉水热活动特征等显示,青藏高原南部及邻区的深部碳释放主要受深部岩浆房、断裂和浅部水热系统等因素的控制。依据深部流体源区和上升运移控制因素的差异,可以将青藏高原南部及邻区的深部碳释放划分为三大类:(1)以壳内水热系统脱碳为主的藏南地区;(2)深大断裂控制的以水热系统脱碳为主的川西地区;(3)深部岩浆房和浅部水热系统共同控制的滇西南地区。青藏高原南部土壤微渗漏CO_(2)释放通量介于18.7~52.3Mt/yr之间,温泉溶解无机碳释放通量约为0.13Mt/yr;高原邻区的川西、滇东南断裂带温泉CO_(2)释放规模为0.1Mt/yr;腾冲火山区CO_(2)释放通量介于4.5~7.1Mt/yr之间。本研究认为,青藏高原南部及邻区每年向大气圈释放CO_(2)的规模为23.4~59.6Mt,这一规模与全球其他构造背景(如洋中脊、大洋俯冲带、大陆裂谷等)火山区深部碳释放规模相当,表明以青藏高原为代表的大陆碰撞带是地质源CO_(2)释放的重要场所。

深部碳循环及同位素示踪：回顾与展望

深部碳循环是全球碳循环中的重要组成部分,它指通过板块俯冲过程把大洋底部的碳酸盐岩带到地幔中,然后再通过火山作用以CO2气体形式释放到大气中.目前对于深部碳循环的研究仍处在一个起步阶段.其中一个很重要的科学问题是火山作用释放的CO2中与俯冲相关的碳和原始幔源碳的比例.传统碳同位素可以很好的区分有机碳和无机碳,但火山作用释放的CO2中,大约95%的与俯冲相关的碳和原始幔源碳均是无机碳,因此传统的碳同位素方法无法区分.近年来Ca和Mg同位素在示踪壳内物质循环方面的研究取得很大的进展,本文针对以上科学问题,总结了近年来对于深部碳存储总量、通量及存在形式,洋壳俯冲过程中碳的行为,含碳地幔的熔融,深入探讨了C,Ca和Mg同位素示踪深部碳循环的原理和途径,以及前人在C,Ca和Mg同位素示踪深部碳循环等方面的研究成果.

下地幔温压条件下碳对（Mg,Fe）SiO3布里奇曼石的影响

利用激光加温金刚石对顶砧技术模拟下地幔温压条件(36~88 GPa,1850~2800 K),探索了碳与含铁的(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石的相互作用过程。同步辐射X射线衍射实验表明,(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石与碳在大于42 GPa、2000 K的温压条件下发生了氧化还原反应,即(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石中的二价铁(Fe^2+)被单质碳还原成金属铁(Fe^0);而在较低的温压条件下,布里奇曼石中的Fe2+可以稳定存在。该结果表明,在下地幔深部的温压条件下,CCO缓冲的氧逸度值比IW缓冲更低,热力学计算结果也证实了这一结果。实验结果为地幔深部氧化还原条件的不均一性和局部极端还原状态的出现提供了解释。

中国东北新生代火山区CO_(2)释放规模与成因

板片俯冲过程将地表碳带入地球内部,火山作用将深部碳输送至地球外部圈层,两者构成了地球深部碳循环的主要方式,进而影响了地史时期的气候变化。我国东北新生代火山活动被认为是太平洋板片深俯冲作用的产物,板片俯冲导致岩浆源区强烈的碳酸盐组分交代作用,进而使东北亚上地幔成为一个新生代时期的巨型深部碳库,它的活动和释放将会对全球的气候与环境变化造成重要影响。然而,有关该深部碳库向当今大气圈输送CO_(2)气体的规模及其演化过程尚不清楚,从而影响了进一步定量评估该碳库在全球变化研究中的地位和作用。针对上述科学问题,本文对我国东北长白山、五大连池和阿尔山火山释放CO_(2)气体的规模与成因进行了研究。结果表明,东北新生代火山区的土壤CO2释放通量介于9.6~41.2g·m^(-2)·d^(-1)之间,每年向当今大气圈释放CO2气体约为2.1Mt(其中,长白山火山区为0.94Mt,五大连池火山区为1.2Mt)。气体地球化学研究证实,长白山与五大连池火山气体均起源于太平洋板片深俯冲环境;但是,与长白山相比,五大连池火山气体具有较高比例壳源组分贡献。阿尔山火山气体的成分与长白山和五大连池火山区存在着明显的差异,它们以N_(2)为主(>95%),并且其δ^(15)N_(N2)值高于空气值(1.3‰~1.9‰),^(3)He/^(4)He比值较低(0.14~0.18RA),δ^(13)C_(CO2)较轻(-13.7‰~-6.2‰),表明壳源富氮有机沉积物的贡献占比较大的比例。上述特征进一步表明,阿尔山火山气体在上升经过地下水时可能滞留了较长时间,混染了大量的陆壳组分,其源区并未受到太平洋板片俯冲物质的显著影响。

矿物高压稳定性与深部挥发分循环过程

深地过程是驱动整个地球系统运行的重要引擎。其中,深部挥发分的循环过程及其效应是当前国际固体地球科学研究的热点、前沿和难题。深部矿物的高压稳定性与深部过程密切相关。一方面,俯冲带碳酸盐和含水矿物是联动地表与深部挥发分循环的重要载体,其稳定性深刻影响着地震与火山活动、大气圈演化及地球内部结构的演化。通过对碳酸盐和含水矿物高压稳定性的实验模拟与理论预测研究,发现深部关键挥发分循环过程可涵盖整个地幔直至核幔边界。另一方面,地核可能是地球上最大的挥发分储库。然而,对地核铁合金的轻元素种类和含量及其在深部挥发分循环过程中所扮演的角色的认识仍存在分歧,将来的研究中核幔相互作用及其对深部挥发分循环的影响应受到关注。

冰期旋回中热带西太平洋碳源汇过程、机理与效应

冰期旋回是第四纪地球气候变化最显著的特征,热带西太平洋通过水文循环控制全球气候演化,这是“气候演变低纬驱动”理论的核心内容.由于现代热带西太平洋CO_(2)总体上处于海-气平衡,因此基于“将今论古”的思想,长期以来学术界认为热带西太平洋相对于南大洋等高纬海区在大气CO_(2)分压(pCO_(2))冰期旋回中的作用并没那么重要,从而低估了热带西太平洋通过碳源汇演替调控全球气候的作用.在综合分析上新世以来冰期旋回中热带西太平洋碳源汇过程与机制的基础上,总结出了其气候效应模式,发现冰期时海平面降低导致更多的河流营养物进入海洋,致使近海表层有机碳生产和海底有机碳埋藏加强;同时,远洋为了“补偿”陆架珊瑚礁等钙质生物碳酸盐生产的减少,引起其深部CO32和碱度增加,致使远洋深部碳库增强;另外,开放洋区大型硅藻勃发等有机碳生产演化事件在大洋深部形成呼吸碳库,进一步“放大”了上述增强的深部碳库.这些碳循环过程表明冰期热带西太平洋扮演碳汇角色.间冰期时上述碳循环过程发生的方向或强度与冰期相反,但目前还没有证据证明间冰期热带西太平洋是否扮演碳源角色;尽管冰消期,其确实能向大气释放CO_(2).此外,叠加在冰期旋回之上的长尺度记录以及跨越冰期旋回的重大事件记录均显示,热带西太平洋可以通过全球的遥相关或洋际交换,在深部“被动”形成碳库.但这种“被动”形成的深部碳库是否也发生在冰期旋回中还有待于进一步证实.总之,热带西太平洋碳循环也同水文循环一样,通过碳源汇演替对冰期旋回中大气pCO_(2)和全球气候产生重要影响,从而丰富了“气候演变低纬驱动”理论的内涵.