地球深部碳循环新视角  

作　　者：孙卫东[1,2,3] 

机构地区：[1]中国科学院海洋研究所,海洋动力环境观测与预报重点实验室,深海极端环境与生命过程研究中心,青岛266071 [2]崂山实验室,青岛266237 [3]中国科学院大学,北京100049

出　　处：《中国科学：地球科学》2024年第8期2445-2457,共13页Scientia Sinica(Terrae)

基　　金：国家自然科学基金项目(92258303,42221005);崂山实验室科技创新项目(LSKJ202204100);山东省重大基础研究项目(ZFJH202308);山东省泰山学者项目(tspd20230609)资助。

摘　　要：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

关 键 词：碳循环 原始大气 氨基酸 俯冲起始 被动陆缘俯冲 大气二氧化碳 

分 类 号：P595[天文地球—地球化学]