地球深部碳循环新视角

原始大气是碳循环的重要起点.利用火星和金星的大气数据估算,地球原始大气含有>110个大气压的CO_(2)和>2.6个大气压的氮气.在岩浆海阶段,地球获得水之后,原始大气有超过1000个大气压的水蒸气.此时气-岩界面,水和二氧化碳均处于超临界状态,与岩浆海表面发生强烈的蛇纹石化反应,形成大量的氢,将氮气还原为氨气;将CO_(2)还原为甲烷,同时形成碳酸盐.甲烷、氨气和氢主导的原始大气在闪电的作用下形成大量氨基酸,为生命起源奠定了基础,也控制了地球早期的碳-氮循环.到冥古宙,大量CO_(2)以碳酸盐和有机物的形式被固定下来,之后主要通过地幔倒转或者板块俯冲进入深部地幔.碳酸盐在地幔转换带发生“还原固定”(Redox freezing),在熔体中被二价铁还原转化为金刚石.在下地幔,Fe^(2+)发生歧化反应,形成Fe3+和铁单质.其中,Fe3+主要赋存在布里奇曼石中,因此并未提高下地幔的氧逸度;而金属铁由于密度大,倾向进入地核.地幔中碳的分布对深部碳循环极其重要.金刚石与地幔橄榄岩熔体的密度曲线在地幔转换带底部(约660km)相交.这种密度反转导致岩浆海阶段金刚石聚集于此.当深俯冲板片等进入下地幔时,下地幔物质补偿性上涌.进入上地幔的布里奇曼石分解,释放Fe3+,将金刚石氧化为碳酸盐和二氧化碳,在热扰动下形成金伯利岩、火成碳酸岩等,造成了660km边界处“地形”强烈起伏.目前这一层中金刚石仍未完全被氧化为碳酸盐或二氧化碳,起到氧化还原缓冲层的作用.这是制约深部碳循环的关键因素.俯冲带是深部碳循环的重要途径.地球深部碳循环过程会显著影响地表储库的碳含量.新生代以来大气CO_(2)含量的波动与青藏高原的隆升和西太平洋板片的起始俯冲紧密联系.约60Ma前,新特提斯洋闭合,印度大陆被动陆缘开始俯冲;具有巨厚沉积的被动陆缘俯冲将大量碳酸盐和有机物带入地幔,形成的火山将大量的CO_(2)和甲烷等温室气体释放到大气中.约51Ma前,新特提斯洋被动陆缘俯冲减弱,西太平洋板块俯冲开始.西太平洋水深普遍超过碳酸盐补偿深度,俯冲洋壳所携带的碳酸盐很少.因此,俯冲带碳酸盐输入大幅度减少,火山释放的CO_(2)大幅度降低.根据过去12000年火山数据估算,俯冲带火山喷发的平均速率为约3km3/a.火山灰风化速率远高于花岗岩等大陆地壳物质.全球火山灰风化所提供的钙、镁等离子与全球河流入海通量相当.火山灰的增加和俯冲带二氧化碳排放的减少导致大气CO_(2)含量降低,是51Ma年以来全球持续降温的关键.