研究發現中國東部上地幔是一巨大的再循環碳庫

2020-12-05 科學網

 

二氧化碳作為最重要的溫室氣體影響著地球的氣候系統。大氣二氧化碳和地球內部碳存在著物質交換。如：火山活動將地幔的碳以二氧化碳形式向大氣釋放；大氣二氧化碳會溶解於海水，並以碳酸鹽形式沉積於海底，這些沉積碳酸鹽又可能在地球板塊運動中隨俯衝洋殼進入地幔。這樣就構成一個全球體系的碳循環。估計這一碳循環的向上排氣和向下再循環碳通量顯然對認識地球大氣二氧化碳含量演化和氣候變化趨勢是十分重要的。然而由於觀測困難，向下進入深部地幔的碳通量估計存在巨大分歧。

最近，中國地球化學家李曙光院士領導的中國地質大學（北京）、中國科學院地質地球物理研究所和中國科學技術大學聯合研究團隊利用鎂同位素示蹤全球深部碳循環獲得重要進展，發現西太平洋板塊俯衝將大量的沉積碳酸鹽帶入中國東部上下地幔過渡帶，使中國東部上地幔形成一個巨大的碳庫，且該碳庫第四紀以來處於向大氣釋放大二氧化碳的高峰期。這一研究成果在National Science Review（國家科學評論）（2017）上發表。

基於海底沉積碳酸鹽巖（石灰巖，白雲巖）與地幔巖石巨大的鎂同位素差異，該研究團隊於2012年率先提出利用鎂同位素揭示地球深部儲存的沉積碳酸鹽巖。最近，他們通過對中國東部廣泛分布大陸玄武巖（一種來自上地幔的巖漿巖）和環太平洋島弧玄武巖的鎂同位素分析發現在中東部上地幔存在一巨大規模的輕鎂同位素異常區。該鎂同位素異常區分布範圍東從大陸沿海向西到大興安嶺－太行山帶，北從黑龍江省中俄邊界，南至海南島。除海南島外，大陸異常區恰好與地震層析成像所揭示的西太平洋板塊向中國東部大陸下俯衝，在地幔過渡帶（410－660公裡深）滯留的俯衝板片分布區完全重合。

研究團隊論證了大陸地幔鎂同位素異常區與太平洋俯衝滯留板片的成因聯繫，指出中國東部的大規模地幔鎂同位素異常是西太平洋板塊俯衝攜帶沉積碳酸鹽進入地幔的結果，並提出了一個深部碳循環模型。

自晚侏羅世（約1億6千5百萬年前）開始，西太平洋板塊向東亞大陸下俯衝。它們攜帶的鎂質碳酸鹽可隨同板塊俯衝到地幔過渡帶深度，並在高溫高壓條件下發生部分熔融，生成富含碳酸鹽的熔體。該富含碳酸鹽熔體向上滲濾交代上覆的上地幔巖石，形成碳酸鹽化橄欖巖。當碳酸鹽化地幔橄欖巖隨地幔對流上升至約300公裡時，它又發生部分熔融產生玄武巖漿並噴出地表。在這兩次熔融過程中，碳酸鹽都優先進入熔體，並將輕鎂同位素特徵帶入玄武巖漿。因此，中國東部上地幔是一個大的再循環碳酸鹽存儲庫。它的碳存儲，和後來通過火山作用強烈向大氣釋放，均會對大氣溫室氣體含量和氣候產生影響。對中國東部具有輕鎂同位素異常特徵的大陸玄武巖的噴發年齡統計表明，它們最早於約1億年前開始噴發，在2千萬年前火山噴發活動開始加速。在距今2百萬年的第4紀達到高峰。據此，他們提出監測中國東部休眠火山（如長白山，五大連池，等）和郯廬斷裂帶的現代二氧化碳排放量十分重要。

國際著名地球化學家Albrecht W. Hofmann教授為該文撰寫了評論，指出該研究對深部碳循環研究提供了關鍵信息。「由於前人對進入對流地幔的碳通量估計是0－52百萬噸/年，因而並不清楚地幔與外大氣圈的碳交換到底是循環過程，還是僅僅由地幔向大氣圈的單向排氣過程。」因而「如果能鑑別出在大的地幔區域中存在俯衝再循環碳酸鹽巖，將會給我們認識全球碳循環的向下循環部分提供了新的信息。」（來源：科學網）

全文可免費下載：

https://academic.oup.com/nsr/article/2615249/Deep-carbon-cycles-constrained-by-a-large-scale

相關焦點

  • 北京一高中生研究草地 將沙地變成「固碳庫」
    北京景山學校的高中生竇沅青突發奇想，希望廣闊的沙地能變成巨大的「固碳庫」。她還具體測算了各種植被的固碳數據，發現草地比農田的固碳效果更好。她的此項研究，獲得了今年北京科技創新大賽的二等獎。而想到碳排放量，我們一般會首先考慮減少石油等燃料的使用，發展新能源，限制二氧化碳的產生，但是，我的導師——中國科學院植物研究所白文明教授告訴我，陸地生態系統具有固碳效應，這讓我感到有些驚訝，並且對此產生了強烈的興趣。　　查詢各種文獻後我發現，以前的研究基本都是以草地、森林等生態系統作為研究對象，少有文章關注沙地生態系統。沙地作為特殊的生態系統既是風沙源，同時也可能是巨大的碳貯存庫。
  • 李曙光院士:地幔組成的不均一性及其成因
    洋島玄武巖來自起源於地幔深部(下地幔或核幔邊界)的地幔熱柱，它可提供深部下地幔的信息。 地幔同位素組成的不均一性地幔巖石主要是富含鐵-鎂的橄欖巖。儘管地幔的巖石種類和主要元素組成單一，但是大洋玄武巖的Sr、Nd、Pb 同位素調查發現，地幔的同位素組成是很不均一的。
  • 我國科學家發現卡洛琳海山 成因接近「地幔柱假說」
    科技日報訊 （記者王健高通訊員王敏）近日，記者從中國科學院海洋研究所獲悉，國際地學期刊《化學地質學》在線刊發了該所研究員張國良課題組最新研究成果。研究團隊通過科考取樣和實驗室分析發現，西太平洋卡洛琳海山隆起部分玄武巖的形成早於其東側海山鏈的玄武巖，而且兩處玄武巖同位素相同，說明這座海山的成因接近從未被證明過的「地幔柱假說」。
  • 全球變暖：底層土壤碳庫的響應出乎意料
    雖然底層土長期不見天日，默默無聞，但由於體量巨大，其碳儲量佔全球土壤碳庫的50%以上。一旦這部分碳庫受到幹擾而加速降解，必將加快全球變暖的進程；另一方面，底層土壤的有機碳含量較低而活性礦物含量相對較高，因此具有較大的固碳潛力。基於此，全球氣候變化下的底層土壤碳庫可能是一把雙刃劍，它既可能發揮碳匯功能、造福人類，也可能給現在已經冒汗的地球「火上澆油」。
  • 黃石公園超級火山下發現巨大巖漿庫
    原標題：黃石公園超級火山下發現巨大巖漿庫　　新華網華盛頓4月23日電(記者林小春)美國黃石國家公園下方有一座超級火山。美國猶他大學研究人員23日說,黃石公園下方除了此前已知的一個巖漿庫外,在更深處還掩藏著一個更加巨大的巖漿庫。 　　這項成果發表在新一期美國《科學》雜誌上。
  • 【研究進展】GCA: 熔體與橄欖巖反應的高溫高壓實驗研究揭示華北克拉通地幔交代機制
    近二十年以來，國內外眾多地學工作者圍繞著華北克拉通破壞這一科學問題展開了系統的研究。
  • 中國科學家在南極地殼和上地幔研究中獲重要發現
    中國科學家在南極地殼和上地幔研究中獲重要發現 中央政府門戶網站　www.gov.cn 2016-01-10 20:09 來源： 新華社 經過長達8年努力，中國科學家在南極大陸及周邊地區的地殼和上地幔三維結構和地質構造研究中，獲得重要發現。據中國地質科學院地質力學研究所安美建研究員介紹，第四個國際極地年（2007-2008年）開展以來，國際上在東南極實施了史上規模最大的天然地震觀測，對南極大陸深部結構進行探測。作為國際計劃的一部分，中國在中山站至南極內陸海拔最高的崑崙站之間，部署了一系列極低溫的天然地震觀測臺。
  • 我國海洋科學家在西太平洋找到一個接近「地幔柱假說」例證
    記者從中國科學院海洋研究所獲悉，近日，國際地學期刊《化學地質學》（Chemical Geology）在線刊發了該研究機構研究員張國良課題組最新研究成果，首次揭示了西太平洋卡洛琳脊是一個火山活動形成的洋底高原，綜合年代學和地球化學分析結果顯示，卡洛琳洋底高原和東部海山鏈系統形成於同一個來自下地幔的地幔柱
  • 東北地理所在凍土區泥炭沼澤歷史時期碳庫穩定性研究中取得進展
    泥炭沼澤覆蓋全球陸地表面3-4%，其土壤碳庫中所儲存的碳佔全球陸地土壤碳庫的近30%。然而泥炭沼澤主要分布在氣候變化敏感區（如中高緯度地區，永久凍土區等），因此泥炭沼澤土壤碳庫極易受到全球變化的影響並釋放大量的二氧化碳，從而加劇全球氣候變化。土壤碳庫的穩定性是影響其在未來氣候變暖等環境擾動下維持穩定的關鍵因素。
  • 科學家在西太平洋找到接近「地幔柱假說」例證—新聞—科學網
    ，卡洛琳洋底高原和東部海山鏈系統形成於同一個來自下地幔的地幔柱。 自近半個世紀前「地幔柱假說」被提出後，常被用來解釋巨大洋底高原和一系列有年齡序列的海山鏈成因。這個假說假設一個來自上千公裡地幔深部的地幔上湧體，從深部上升到淺部後形成了巨大量的巖漿。地幔柱的啟動方式非常類似於一個原子彈的引爆過程，形成洋底高原的地幔柱「頭」相當於引爆過程的蘑菇雲頂部，形成海山鏈的地幔柱「尾巴」相當於蘑菇雲的頸。
  • 黃石公園下發現巨大巖漿庫
    原標題：黃石公園下發現巨大巖漿庫　　新華社電 美國黃石國家公園下方有一座超級火山。美國猶他大學研究人員23日說，黃石公園下方除了此前已知的一個巖漿庫外，在更深處還掩藏著一個更加巨大的巖漿庫。 　　這項成果發表在新一期美國《科學》雜誌上。
  • 科學家印度洋鑽探地殼:與地幔「親密接觸」
    地幔位於地殼下面，穿過莫霍面就是，它是地球的中間層，厚度約2865公裡，主要由緻密的造巖物質構成，這是地球內部體積最大、質量最大的一層。地幔堪稱最大的「地球化學儲庫」，但迄今位置由於人類尚未能直接從地幔取樣，因此對其知之甚少。神秘而龐大的地幔充滿了許多未解之謎。
  • 地球上最稀有的鑽石埋在地幔中，是由原始碳形成的
    大多數鑽石是由碳在地球表面和地殼之間反覆循環產生的。但是，9月10日發表在《自然》雜誌上的文章稱，那些起源最深的鑽石是由另一種來源的碳構成的：一種新發現的、隱藏在地球下地幔中的遠古儲層，比如著名的「希望鑽石」。
  • 地球上最稀有的鑽石埋在地幔中,是由原始碳形成的
    大多數鑽石是由碳在地球表面和地殼之間反覆循環產生的。但是，9月10日發表在《自然》雜誌上的文章稱，那些起源最深的鑽石是由另一種來源的碳構成的：一種新發現的、隱藏在地球下地幔中的遠古儲層，比如著名的「希望鑽石」。
  • 最新研究顯示：中國陸地生態系統固碳能力巨大
    「我國陸地生態系統固碳能力巨大，但在以往研究中被嚴重低估。」記者從中國科學院大氣物理研究所獲悉，這一生態領域重要研究成果，北京時間10月29日凌晨獲國際著名學術期刊《自然》在線發表。研究結果顯示，2010-2016年，中國陸地生態系統年均吸收約11.1億噸碳，吸收了同時期人為碳排放的45%。