李曙光:镁同位素示踪发现中国东部上地幔是一巨大的再循环碳库【NSR,2017】

        二氧化碳作为最重要的温室气体影响着地球的气候系统。大气二氧化碳和地球内部碳存在着物质交换。如:火山活动将地幔的碳以二氧化碳形式向大气释放;大气二氧化碳会溶解于海水,并以碳酸盐形式沉积于海底,这些沉积碳酸盐又可能在地球板块运动中随俯冲洋壳进入地幔。这样就构成一个全球体系的碳循环。估计这一碳循环的向上排气和向下再循环碳通量显然对认识地球大气二氧化碳含量演化和气候变化趋势是十分重要的。然而由于观测困难,向下进入深部地幔的碳通量估计存在巨大分歧。

       最近,中国地球化学家李曙光院士领导的中国地质大学(北京)、中国科学院地质地球物理研究所和中国科学技术大学联合研究团队利用镁同位素示踪全球深部碳循环获得重要进展,发现西太平洋板块俯冲自晚侏罗世(距今165百万年)以来将大量的沉积碳酸盐带入中国东部410-660公里深度的地幔过渡带,并熔融向上渗滤交代上地幔,使中国东部上地幔形成一个巨大的碳库。该碳库自晚白垩世(距今106百万年)开始少量通过火山作用向大气排放二氧化碳,23百万年以来开始排放加速,第四纪(距今2个百万年)以来处于向大气释放大二氧化碳的高峰期。这一研究成果在National Science Review(国家科学评论)(2017)上发表。

       基于海底沉积碳酸盐岩(石灰岩,白云岩)与地幔岩石巨大的镁同位素差异,该研究团队于2012年率先提出利用镁同位素揭示地球深部储存的沉积碳酸盐岩。最近,他们通过对中国东部广泛分布大陆玄武岩(一种来自上地幔的岩浆岩)和环太平洋岛弧玄武岩的镁同位素分析发现在中东部上地幔存在一个巨大规模的轻镁同位素异常区。该镁同位素异常区分布范围东从大陆沿海向西到大兴安岭-太行山带,北从黑龙江省中俄边界,南至海南岛。除海南岛外,大陆异常区恰好与地震层析成像所揭示的西太平洋板块向中国东部大陆下俯冲,在地幔过渡带(410-660公里深)滞留的俯冲板片分布区完全重合。

       研究团队论证了大陆地幔镁同位素异常区与太平洋俯冲滞留板片的成因联系,指出中国东部的大规模地幔镁同位素异常是西太平洋板块俯冲携带沉积碳酸盐进入地幔的结果,并提出了一个深部碳循环模型(图1)。

       据此,他们提出监测中国东部休眠火山(如长白山,五大连池,等)和郯庐断裂带的现代二氧化碳排放量十分重要。我国已经有碳卫星监测大气二氧化碳含量,但这个含量是自然排碳量和人类活动排碳量的总和。只有通过地面监测获得自然碳排放数据,从大气二氧化碳总含量中扣除自然排放量,我们才能从卫星数据获得人类活动的排放量。显然这对国际碳排放谈判是十分重要的。

       国际著名地球化学家Albrecht W. Hofmann教授以“俯冲碳在中国东部陆下的存储”为题给该文撰写了亮点评论,指出该研究对深部碳循环研究提供了关键信息。“由于前人对进入对流地幔的碳通量估计是0-52百万吨/年,因而并不清楚地幔与外大气圈的碳交换到底是循环过程,还是仅仅由地幔向大气圈的单向排气过程。”因而“如果能鉴别出在大的地幔区域中存在俯冲再循环碳酸盐岩,将会给我们认识全球碳循环的向下循环部分提供了新的信息。”

图1 太平洋俯冲滞留板片深部碳循环模型

       上述研究成果发表于中国2013年创刊的国际著名学术期刊《National Science Review》:Shu-Guang Li, Wei Yang, Shan Ke, Xunan Meng, Hengci Tian, Lijuan Xu, Yongsheng He, Jian Huang, Xuan-Ce Wang, Qunke Xia, Weidong Sun, Xiaoyong Yang, Zhong-Yuan Ren, Haiquan Wei, Yongsheng Liu, Fancong Meng and Jun Yan. Deep carbon cycles constrained by a large-scale mantle Mg isotope anomaly in eastern China. National Science Review, DOI: 10.1093/nsr/nww070, 2017. [IF2015=8.0]

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