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Nature：克拉通地幔物质迁移引发的大陆裂谷带深部碳聚集

来源：花匠小妙招时间：2025-06-16 09:35

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碳元素在地球各圈层间的循环影响着全球环境、气候乃至生物的长期演化。在碳循环各环节中，碳的具体迁移形式及相关定量估计是地球科学交叉领域的研究前沿和热点（相关前沿报道见《俯冲的碳》《大氧化事件与Lomagundi事件——由深部碳循环和增强的去气作用导致》）。

俯冲带、洋中脊、洋岛和岛弧以往被视为碳输入地球深部或返回浅表的主要场所（图1）（相关内容可见《俯冲的碳》）。然而，近年来人们愈发认识到大陆裂谷和大陆岩石圈是地球深部碳循环中不可忽视的一环（Foley and Fischer, 2017）：经过地幔柱物质或富碳熔体（与俯冲、地幔对流等过程有关）的长期交代，大量的碳被封存于大陆岩石圈地幔中，使其成为地球重要的深部碳储库；而在大陆裂谷期（continental rifting），贮存在大陆岩石圈中的碳可通过在火山和张性断裂附近发生的去气作用（degassing）以CO2形式被释放进入大气（图1）。相关研究发现，地质历史时期全球大陆裂谷带发育峰期与大气CO2高浓度（温室）期存在对应关系（Brune et al., 2017），说明大陆裂谷去气可能对地球长期气候变化有重要贡献。

对大陆裂谷带CO2释放通量的估计有助于人们对地球大气CO2浓度长期变化及其影响因素的分析，是深入认识构造活动—气候变化关系的重要切入点。然而，由于现有采样不够充分、全面，人们对大陆裂谷带内部CO2释放通量的横向变化不甚了解，其中包括全球最大、出露最好的大陆裂谷带——东非裂谷带（Lee et al., 2016）。在以往对全球裂谷带CO2释放通量的估计中，这种横向变化也往往被人们所忽视（Brune et al., 2017）。

图1 现今全球深部碳循环模式简图（Foley and Fischer, 2017）。箭头指示了碳输送方向，数字表示碳通量估计值（单位：Mt yr–1，括号里的值为不同研究给出的估计值）

最近，美国Syracuse大学Muirhead及其合作者对东非裂谷带东段（图2a）进行了更全面的气体采样和源区探讨，并据此构建了横跨Balangida-Manyara 盆地（属于坦桑尼亚克拉通，岩石圈较厚）—Natron-Magadi 盆地（属于莫桑比克泛非期造山带，岩石圈较薄）的CO2去气通量剖面（图2b-图2d）。其结果显示：克拉通一侧去气释放的CO2主要来自于地壳（低3He/4He比值，平均0.05RA），而造山带一侧则主要来自于岩石圈地幔（高3He/4He比值，平均2.3RA，高达4.0RA以上）。这一结论也得到前人获得的东非裂谷带岩浆和地幔包体同位素地球化学数据（e.g., Halldórsson et al., 2014）的支持；造山带一侧CO2释放通量（均值44.5–50.4 gm-2d-1）显著高于克拉通一侧（均值4.1–11.5 g m-2d-1）。

图2 a. 研究区及采样位置（圆圈）。数字代表各盆地CO2去气通量的平均值，X-X’对应b-d图中所示剖面位置。 b. 沿剖面样品3He/4He比值（相对于大气比值RA）的变化，典型壳源为0.05RA，大陆岩石圈地幔源区为6.1RA。c. 沿剖面CO2去气通量变化。d. 地球物理观测给出的沿剖面岩石圈密度模型（Muirhead et al., 2020）

大量研究表明，太古代克拉通在其长期演化过程中经历了复杂的成分改造，其岩石圈地幔相比周围元古代造山带通常更富碳。那么，在坦桑尼亚克拉通-莫桑比克造山带边界区域，为何岩石圈地幔来源的CO2去气作用在相对贫碳的造山带一侧更显著？结合该地区地球物理资料所约束的岩石圈厚度横向变化和相关地球动力学数值模拟结果，Muirhead等对此现象做出了解释（图3）：一方面，太古代坦桑尼亚克拉通本身渗滤性差，阻碍积累于其地幔中的碳上升抵达地表；另一方面，在克拉通-活动构造带交界处由于存在岩石圈厚度梯度，当被改造后化学元素富集的克拉通根部满足低流变强度、较低密度的条件时，克拉通岩石圈根会以侧向平流（laterally advecting）方式拆离，较轻的拆离物质可侧向迁移上百公里、同时垂向运移至活动构造带岩石圈底部（Currie and van Wijk, 2016）。因此，这些来自克拉通地幔的富碳物质发生减压熔融，部分富碳熔体在裂谷带岩石圈减薄的过程中穿过地幔抵达下地壳，熔体中的富碳挥发分最后通过火山作用或沿深切的张性断裂去气释放。与裂谷同期发育的碳酸岩（carbonatite）火山作用主要沿坦桑尼亚克拉通周缘而非裂谷带走向分布（图4），该现象同样支持上述受控于岩石圈厚度和成分横向变化的深部碳聚集机制。

图3 研究区深部碳在克拉通边界的迁移模式图。该模式强调，富碳的克拉通根部分通过侧向平流拆离，同时垂向运移抵达邻近的活动带岩石圈底部，为其地表处的幔源CO2强烈去气提供碳源（Muirhead et al., 2020）

图4 45 Ma以来与东非裂谷形成有关的坦桑尼亚克拉通区域火成碳酸岩分布。碳酸岩（紫色圈）主要沿坦桑尼亚克拉通边缘（紫色箭头）而非裂谷带主要走向（棕色箭头）分布（Muirhead et al., 2020）

Muirhead等人的研究揭示了大陆裂谷带内部CO2释放通量存在显著的横向变化，并且可能受控于与岩石圈厚度和成分横向变化有关的深部碳聚集机制。同时，这意味着若要更准确地估算全球大陆裂谷CO2释放通量，从而进一步探讨构造活动—气候变化关系，需要综合考虑裂谷带岩石圈厚度、成分及流变性的横向变化。然而，对于发育在克拉通边界附近的大陆裂谷带，富碳熔体产生的方式是以裂谷带薄岩石圈底部的减压熔融（decompression melting）为主（Muirhead et al., 2020），还是以克拉通厚岩石圈底部的低程度氧化还原驱动熔融（redox melting）为主，或裂谷不同发育阶段熔融方式不同（Foley and Fischer, 2017），尚存在争议。另外，除了俯冲带、洋中脊、洋岛与岛弧，以及大陆裂谷带之外，近年来本所郭正府研究员团队的大量研究表明，大陆内部青藏高原和长白山火山区是目前全球CO2的高通量释放区（见Werner et al., 2019和亮点报道《孙玉涛：玛珥湖温室气体释放：以长白山火山区为例》、《张茂亮：腾冲火山区的温室气体释放揭示大陆俯冲带深部碳循环机制》）。因此，陆内火山（包括休眠火山）的去气作用对于地球碳循环和气候长期变化的贡献也不容忽视（Zhang et al., 2018; Werner et al., 2019）。

【致谢：感谢李献华院士、王选策教授、郭正府研究员对本文提出的建议。】

主要参考文献

Brune S, Williams S E, Mueller R D. Potential links betweencontinental rifting, CO 2 degassing and climate change through time[J]. NatureGeoscience, 2017, 10(12): 941-946.

Currie C A, van Wijk J. How craton margins are preserved: Insightsfrom geodynamic models[J]. Journal of Geodynamics, 2016, 100: 144-158.

Foley S F, Fischer T P. An essential role for continental rifts andlithosphere in the deep carbon cycle[J]. Nature Geoscience, 2017, 10(12): 897-902.

Halldórsson S A, Hilton D R, Scarsi P, et al. A common mantle plume sourcebeneath the entire East African Rift System revealed by coupled helium‐neonsystematics[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(7): 2304-2311.

Lee H, Muirhead J D, Fischer T P, et al. Massive and prolonged deepcarbon emissions associated with continental rifting[J]. Nature Geoscience,2016, 9(2): 145-149.

Muirhead J D, Fischer T P, Oliva S J, et al. Displaced cratonicmantle concentrates deep carbon during continental rifting[J]. Nature, 2020,582(7810): 67-72.（链接）

Werner C, Fischer T P, Aiuppa A, et al. Carbon Dioxide Emissionsfrom Subaerial Volcanic Regions[M]//Deep Carbon Past to present. CambridgeUniversity Press, 2019: 188-236.

Zhang M, Guo Z,Liu J, et al. The intraplate Changbaishan volcanicfield (China/North Korea): A review on eruptive history, magma genesis,geodynamic significance, recent dynamics and potential hazards[J].Earth-Science Reviews, 2018, 187: 19-52.

（撰稿：吴子木，陈凌/岩石圈室）

校对：覃华清

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