本文主要探讨了地球深部碳循环的过程及其对地球早期生命演化和大气CO 2含量的影响。文章介绍了原始大气中CO 2和氮气的含量，以及地球深部碳循环如何影响这些气体的分布和转化。文章还详细描述了地幔中碳的分布和转化，包括金刚石的形成和氧化，以及俯冲带在深部碳循环中的重要性。最后，文章还讨论了新生代以来大气CO 2含量的波动与板块俯冲的变化之间的联系。
地幔中的碳主要以金刚石的形式聚集在上地幔底部。地表碳可能通过地幔倒转和板块俯冲进入地幔，地幔中的矿物变化会影响上地幔底部的碳循环。
印度-欧亚大陆碰撞过程中弧岩浆活动的大量碳释放和西太平洋俯冲起始后俯冲带碳通量的减少等事件，都造成了大气CO 2 和地表温度的波动。
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Fe
3+
和铁单质. 其中, Fe
3+
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Fe
3+
, 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和有机物带入地幔, 形成的火山将大量的CO
2
和甲烷等温室气体释放到大气中. 约51Ma前, 新特提斯洋被动陆缘俯冲减弱, 西太平洋板块俯冲开始. 西太平洋水深普遍超过碳酸盐补偿深度, 俯冲洋壳所携带的碳酸盐很少. 因此, 俯冲带碳酸盐输入大幅度减少, 火山释放的CO
2
大幅度降低. 根据过去12000年火山数据估算, 俯冲带火山喷发的平均速率为约3km
3
/a. 火山灰风化速率远高于花岗岩等大陆地壳物质. 全球火山灰风化所提供的钙、镁等离子与全球河流入海通量相当. 火山灰的增加和俯冲带二氧化碳排放的减少导致大气CO
2
含量降低, 是51Ma年以来全球持续降温的关键.
结论及进展
岩浆海阶段, 高地热梯度下碳酸盐化地幔不能保存, 挥发性碳组分以CO
2
的形式存在于原始大气中, 而地幔中的碳主要以金刚石的形式聚集在上地幔底部形成金刚石层. 原始大气中高CO
2
含量可能参与地表岩石的蛇纹石化和风化等过程被逐渐固定下来, 并且这一过程可能与早期生命演化具有密切的关系. 地表的碳可能通过地幔倒转和板块俯冲进入地幔. 下地幔的主要组成矿物布里奇曼石富含三价铁, 而上地幔底部的主要组成矿物林伍德石基本不含三价铁, 俯冲板块进入下地幔导致下地幔布里奇曼石被动上涌进入上地幔而发生分解, 释放出三价铁, 氧化金刚石, 在上地幔底部形成碳酸盐甚至高压二氧化碳. 上地幔底部是深部碳循环的一个重要策源地.
