Nature：克拉通地幔物質遷移引發的大陸裂谷帶深部碳聚集

Nature：克拉通地幔物質遷移引發的大陸裂谷帶深部碳聚集

碳元素在地球各圈層間的循環影響著全球環境、氣候乃至生物的長期演化。在碳循環各環節中，碳的具體遷移形式及相關定量估計是地球科學交叉領域的研究前沿和熱點（相關前沿報導見《俯衝的碳》《大氧化事件與Lomagundi事件——由深部碳循環和增強的去氣作用導致》）。

俯衝帶、洋中脊、洋島和島弧以往被視為碳輸入地球深部或返回淺表的主要場所（圖1）（相關內容可見《俯衝的碳》）。然而，近年來人們愈發認識到大陸裂谷和大陸巖石圈是地球深部碳循環中不可忽視的一環（Foley and Fischer, 2017）：經過地幔柱物質或富碳熔體（與俯衝、地幔對流等過程有關）的長期交代，大量的碳被封存於大陸巖石圈地幔中，使其成為地球重要的深部碳儲庫；而在大陸裂谷期（continental rifting），貯存在大陸巖石圈中的碳可通過在火山和張性斷裂附近發生的去氣作用（degassing）以CO₂形式被釋放進入大氣（圖1）。相關研究發現，地質歷史時期全球大陸裂谷帶發育峰期與大氣CO₂高濃度（溫室）期存在對應關係（Brune et al., 2017），說明大陸裂谷去氣可能對地球長期氣候變化有重要貢獻。

對大陸裂谷帶CO₂釋放通量的估計有助於人們對地球大氣CO₂濃度長期變化及其影響因素的分析，是深入認識構造活動—氣候變化關係的重要切入點。然而，由於現有採樣不夠充分、全面，人們對大陸裂谷帶內部CO₂釋放通量的橫向變化不甚了解，其中包括全球最大、出露最好的大陸裂谷帶——東非裂谷帶（Lee et al., 2016）。在以往對全球裂谷帶CO₂釋放通量的估計中，這種橫向變化也往往被人們所忽視（Brune et al., 2017）。

圖1 現今全球深部碳循環模式簡圖（Foley and Fischer, 2017）。箭頭指示了碳輸送方向，數字表示碳通量估計值（單位：Mt yr^–1，括號裡的值為不同研究給出的估計值）

最近，美國Syracuse大學Muirhead及其合作者對東非裂谷帶東段（圖2a）進行了更全面的氣體採樣和源區探討，並據此構建了橫跨Balangida-Manyara 盆地（屬於坦尚尼亞克拉通，巖石圈較厚）—Natron-Magadi 盆地（屬於莫三比克泛非期造山帶，巖石圈較薄）的CO₂去氣通量剖面（圖2b-圖2d）。其結果顯示：①克拉通一側去氣釋放的CO₂主要來自於地殼（低He/^{3 4}HeHe比值，平均0.05R_A），而造山帶一側則主要來自於巖石圈地幔（高He/^{3 4}HeHe比值，平均2.3R_A，高達4.0R_A以上）。這一結論也得到前人獲得的東非裂谷帶巖漿和地幔包體同位素地球化學數據（e.g., Halldórsson et al., 2014）的支持；②造山帶一側CO₂釋放通量（均值44.5–50.4 g m^-2 d^-1）顯著高於克拉通一側（均值4.1–11.5 g m^-2 d^-1）。

圖2 a. 研究區及採樣位置（圓圈）。數字代表各盆地CO₂去氣通量的平均值，X-X』對應b-d圖中所示剖面位置。 b. 沿剖面樣品He/^{3 4}HeHe比值（相對於大氣比值R_A）的變化，典型殼源為0.05R_A，大陸巖石圈地幔源區為6.1R_A。c. 沿剖面CO₂去氣通量變化。d. 地球物理觀測給出的沿剖面巖石圈密度模型（Muirhead et al., 2020）

大量研究表明，太古代克拉通在其長期演化過程中經歷了複雜的成分改造，其巖石圈地幔相比周圍元古代造山帶通常更富碳。那麼，在坦尚尼亞克拉通-莫三比克造山帶邊界區域，為何巖石圈地幔來源的CO₂去氣作用在相對貧碳的造山帶一側更顯著？結合該地區地球物理資料所約束的巖石圈厚度橫向變化和相關地球動力學數值模擬結果，Muirhead等對此現象做出了解釋（圖3）：一方面，太古代坦尚尼亞克拉通本身滲濾性差，阻礙積累於其地幔中的碳上升抵達地表；另一方面，在克拉通-活動構造帶交界處由於存在巖石圈厚度梯度，當被改造後化學元素富集的克拉通根部滿足低流變強度、較低密度的條件時，克拉通巖石圈根會以側向平流（laterally advecting）方式拆離，較輕的拆離物質可側向遷移上百公裡、同時垂向運移至活動構造帶巖石圈底部（Currie and van Wijk, 2016）。因此，這些來自克拉通地幔的富碳物質發生減壓熔融，部分富碳熔體在裂谷帶巖石圈減薄的過程中穿過地幔抵達下地殼，熔體中的富碳揮發分最後通過火山作用或沿深切的張性斷裂去氣釋放。與裂谷同期發育的碳酸巖（carbonatite）火山作用主要沿坦尚尼亞克拉通周緣而非裂谷帶走向分布（圖4），該現象同樣支持上述受控於巖石圈厚度和成分橫向變化的深部碳聚集機制。

圖3 研究區深部碳在克拉通邊界的遷移模式圖。該模式強調，富碳的克拉通根部分通過側向平流拆離，同時垂向運移抵達鄰近的活動帶巖石圈底部，為其地表處的幔源CO₂強烈去氣提供碳源（Muirhead et al., 2020）

圖4 45 Ma以來與東非裂谷形成有關的坦尚尼亞克拉通區域火成碳酸巖分布。碳酸巖（紫色圈）主要沿坦尚尼亞克拉通邊緣（紫色箭頭）而非裂谷帶主要走向（棕色箭頭）分布（Muirhead et al., 2020）

Muirhead等人的研究揭示了大陸裂谷帶內部CO₂釋放通量存在顯著的橫向變化，並且可能受控於與巖石圈厚度和成分橫向變化有關的深部碳聚集機制。同時，這意味著若要更準確地估算全球大陸裂谷CO₂釋放通量，從而進一步探討構造活動—氣候變化關係，需要綜合考慮裂谷帶巖石圈厚度、成分及流變性的橫向變化。然而，對於發育在克拉通邊界附近的大陸裂谷帶，富碳熔體產生的方式是以裂谷帶薄巖石圈底部的減壓熔融（decompression melting）為主（Muirhead et al., 2020），還是以克拉通厚巖石圈底部的低程度氧化還原驅動熔融（redox melting）為主，或裂谷不同發育階段熔融方式不同（Foley and Fischer, 2017），尚存在爭議。另外，除了俯衝帶、洋中脊、洋島與島弧，以及大陸裂谷帶之外，近年來本所郭正府研究員團隊的大量研究表明，大陸內部青藏高原和長白山火山區是目前全球CO₂的高通量釋放區（見Werner et al., 2019和亮點報導《孫玉濤：瑪珥湖溫室氣體釋放：以長白山火山區為例》、《張茂亮：騰衝火山區的溫室氣體釋放揭示大陸俯衝帶深部碳循環機制》）。因此，陸內火山（包括休眠火山）的去氣作用對於地球碳循環和氣候長期變化的貢獻也不容忽視（Zhang et al., 2018; Werner et al., 2019）。

【致謝：感謝李獻華院士、王選策教授、郭正府研究員對本文提出的建議。】

主要參考文獻

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.（連結）

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：吳子木，陳凌/巖石圈室）

校對：覃華清