楊春等-EPSL:東亞大地幔楔碳循環(huán)的定量研究及其氣候效應(yīng)
?西太平洋板塊向東亞大陸深俯沖并滯留在地幔過渡帶,形成了規(guī)模宏大的東亞大地幔楔。近年來,諸多地球化學(xué)示蹤及地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)均表明,東亞大地幔楔是一個(gè)富集再循環(huán)碳的深部?jī)?chǔ)庫。自白堊紀(jì)東亞大地幔楔形成以來,全球氣候經(jīng)歷了從“溫室”向“冰室”的轉(zhuǎn)變,其背后是大氣CO2濃度的長(zhǎng)期下降。傳統(tǒng)觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)該時(shí)期大陸風(fēng)化作用增強(qiáng)等表層作用對(duì)大氣CO2消耗的影響,但古地理重建模型顯示,該時(shí)期固體地球去氣通量的減少對(duì)于大氣CO2下降的推動(dòng)作用同樣不容小覷。那么,東亞大地幔楔的發(fā)育是否影響了大氣CO2 濃度并驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)期氣候變化?其碳儲(chǔ)庫規(guī)模及循環(huán)通量是破解這一問題的關(guān)鍵,但是一直缺少定量約束。

圖1:東亞大地幔楔及板內(nèi)玄武巖(EAIB)原始巖漿碳含量對(duì)比

圖2:蒙特卡洛模擬恢復(fù)東亞大地幔楔源區(qū)碳含量
?針對(duì)以上科學(xué)問題,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士后楊春在博士導(dǎo)師中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)劉盛遨教授和博士后導(dǎo)師中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李洪顏研究員共同指導(dǎo)下,收集整合了東亞地區(qū)板內(nèi)玄武巖(EAIB)的主微量元素及Zn同位素?cái)?shù)據(jù),并運(yùn)用基于實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的熔體CO2 濃度恢復(fù)方法,系統(tǒng)計(jì)算了EAIB原始巖漿的CO2 含量(圖1)。研究發(fā)現(xiàn),EAIB的Zn同位素組成(δ66Zn)與CO2含量、Ca/Al比值等地球化學(xué)指標(biāo)存在顯著的相關(guān)性,指示EAIB形成于輝石巖熔體與富碳地幔熔體的混合(圖2a)。通過構(gòu)建“先熔融后混合”的蒙特卡洛模型,本研究首次定量估算出東亞大地幔楔的平均碳含量為297±118?μg/g,該值約為正常對(duì)流地幔的三倍(圖3)。這一結(jié)果為東亞大地幔楔是一個(gè)規(guī)模宏大的碳儲(chǔ)庫提供了直接證據(jù)。

圖3:東亞大地幔楔平均碳含量與其他深部?jī)?chǔ)庫對(duì)比
?同時(shí),基于Gplates古地理重建模擬,本研究恢復(fù)了1.45億年以來西太平洋俯沖帶的演化歷史。結(jié)果顯示,西太平洋深部俯沖碳進(jìn)入大地幔楔的通量存在兩個(gè)明顯的高峰期,分別位于約130 Ma和52 Ma?(圖4)。這兩次俯沖碳輸入高峰與EAIBs火山活動(dòng)的大規(guī)模爆發(fā)之間存在一個(gè)約 26 Ma的顯著時(shí)間延遲。這一滯后效應(yīng)表明,被輸送至地幔深部的碳并不能被快速、有效地通過火山作用釋放回大氣。相較于弧巖漿,東亞板內(nèi)玄武巖的噴發(fā)頻率及通量顯著偏低,這種低效的深部碳循環(huán)過程,使得東亞大地幔楔在全球碳循環(huán)中扮演長(zhǎng)期、穩(wěn)定的深部碳匯角色。這種由大地幔楔發(fā)育而驅(qū)動(dòng)的固體地球去氣通量降低,是解釋白堊紀(jì)以來全球氣候變冷的一個(gè)重要補(bǔ)充機(jī)制(圖4)。
?該成果于近日發(fā)表在地球科學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Earth?and Planetary Science Letters》上,本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42425304),國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2022YFF0801002),國(guó)家資助博士后項(xiàng)目(GZB20230763; 2023M743505)等資助。

圖4:古地理重建模擬東亞大地幔楔俯沖碳通量變化?
文章信息:Yang, C.?(楊春), Liu, S.-A.* (劉盛遨), Li, H.-Y.* (李洪顏), Xu, Y.-G.?(徐義剛), 2025. Deep carbon sink in the East Asian mantle and its impact on atmospheric CO2?drawdown since the Cretaceous. Earth and Planetary Science Letters?667, 119541. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119541

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