Nature Com. 熔體包裹體中的CO2來自哪裡？

摘 要 速 覽

大的火成巖省爆發往往伴隨著顯生宙的許多大滅絕，這無疑在告訴我們火山脫氣觸發全球氣候變化的因果關係。為了充分認識二者之間的關係，人類有必要對脫氣巖漿揮發物的數量和類型進行限制，確定其來源深度和噴發時間。通過對熔融包裹體保存的氣體噴出氣泡的研究，本文作者提供了三疊紀末大西洋中部巖漿省(CAMP)玄武巖中富含CO2的直接證據。結果表明，至少有一部分脫氣碳來自地幔和/或中低層地殼。深部碳的存在是控制巖漿房位置模式的關鍵因素，有利於快速爆發脈衝(每次都要幾個世紀)。作者的估計表明，每一次巖漿脈衝注入三疊紀末大氣中的二氧化碳量，與21世紀預計的人為排放量相當。如此大量的火山二氧化碳可能導致了三疊紀末的全球變暖和海洋酸化。

內 容 解 讀

火山噴發過程釋放的大量CO2就像瓶中逃出來的惡魔，除了擾亂氣候之外，還在巖漿的儲存、上升和噴發中扮演反派角色，驅動巖漿儲層的穩定性和演化，調節泛流玄武巖巖漿活動和伴生的脫氣通量。不得不提到的是，科學家們近年來開發的巖漿通道系統模型強調了析出的揮發相(例如，富含二氧化碳的流體)的重要性。在這些新模型中，巖漿儲集層以結晶態為主，形成了一個多相(即固態、液態和氣態)體系，在這個體系中，晶體、熔融和析出揮發物可以相互作用，並獨立上升到地表。由於二氧化碳在矽酸鹽熔體中的溶解度很低，熔體中富含二氧化碳的流體會在地殼深處(即巖漿管道系統中)甚至地幔上部就已經早早的析出，而在較淺的深度，流體通常會變得更富含水分。由於CO2的逃逸改變了巖漿的物理性質(如密度、粘度和浮力)，因此它可能在巖漿上升過程中發揮關鍵作用，並可以解釋觀測到的脈衝噴發方式。然而，沒有直接證據表明深處的巖漿中二氧化碳含量到底有多少。

在這項研究中，作者通過分析熔融包裹體(MIs)中的揮發性物質，特別是二氧化碳，系統研究了中大西洋巖漿省(CAMP)的揮發性物質的演化過程，該地區是地球上最大的火成巖省，作者研究了這些發現對巖漿噴發歷史的影響，以及隨後對全球氣候的影響。CAMP的出現發生在泛大陸超大陸分裂的早期階段，導致了大西洋中部的開放，與三疊紀末滅絕(ETE)同步，後者是原生動物時期五個最嚴重的生物危機之一。至少有3 106 km3的玄武巖巖漿在短暫的脈衝中噴發或侵入了107 km2的大陸地殼，每個噴發時間從幾百年到幾千年不等，以高噴發率為特徵。如此短暫而強大的火山噴發可能已經對全球氣候產生了嚴重影響，因為它限制了負面反饋過程的時間，例如矽酸鈣的風化，可以減緩氣候變暖和酸化。巖漿活動在時間上與三次明顯的負碳同位素短途活動相吻合，這三次活動都是在主要的滅絕時期發生的，以及推測大氣CO2的強烈上升。一般而言，脈衝巖漿和脫氣活動可導致大氣中二氧化碳和溫室條件的迅速上升，這反映在有機質和碳酸1中記錄的快速的、證實了全球外源(即表面)碳循環的擾動。火山釋放的CO2可能觸發了13C耗盡的揮發相快速輸入大氣水圈系統，而侵入的富有機質沉積熱變質產生的CO2和CH4的釋放可能增強了這種外部碳輸入。

作者從北美(美國和加拿大)、非洲(摩洛哥)和歐洲(葡萄牙)取得樣品，並結合幾種原位分析技術研究了熔體包裹體中氣泡中CO2的存在，並限制了其地層深度。多學科分析方法揭示了在MIs中捕獲的氣體噴出氣泡是以前未被重視的在巖漿活動中釋放的揮發性物質的直接原始樣品。本文的分析證實了大量的二氧化碳存在,表明至少部分碳有中等下部地殼或地幔起源,表明火山噴發是快速和潛在的災難性氣候和生物圈。

圖4. 透射光學顯微鏡和拉曼光譜法觀察含氣泡的熔體包裹體。左列:用光學顯微鏡觀察被分析區域的透射光顯微照片，以虛線劃線。右列:對應區域的拉曼高光譜圖。

圖 7. 從地幔到地表的玄武巖巖漿的地殼外管道系統示意圖。玄武巖巖漿的演化發生在不同的深度，礦物的結晶，然後形成聚集體晶體，並捲入含氣泡的熔體，形成MIs。不同的揮發性物質在不同的深度析出。特別是，富二氧化碳的流體(白色氣泡)在深度較大時開始析出，而富水的流體(藍色氣泡)和富S的流體(黃色氣泡)在深度較淺時開始析出。黑色的箭頭表示巖漿房中碳的潛在來源:地幔、深地殼和古生代或三疊紀沉積盆地。本文研究的MIs中的碳來自於深源，斜輝石地質測量數據證明了這一點。