何永胜：深部碳循环驱动大气氧升高

现今地球大气富含O₂，体积比约为21%。然而，地球的早期大气富含CO₂和CH₄，几乎没有O₂。人们认为大气中O₂的出现和升高，促进了动物的诞生和复杂生物的演化。因此，探讨地球系统物质循环如何驱动大气O₂升高从而形成现今的宜居环境就成为地球科学领域中的热点和核心科学问题。地球大气的O₂含量主要通过两次大气氧升高事件达到现今的水平。目前已知的产生大量O₂的唯一方式是生物光合作用，随着光合作用的起源时间推至大气氧升高事件之前近数百个百万年，固体地球演化对大气O₂含量的缓冲和控制作用得到越来越多学者的关注。深部地球和地表间通过俯冲和岩浆作用存在巨量的变价元素交换，可能在大气氧升高过程中发挥重要作用。如何有效示踪深部地球和地表间变价元素交换是相关研究的关键；然而，由于地质历史上俯冲物质记录的缺失，目前仍是一个难题。

围绕深部地球和地表间氧化还原剂交换的示踪难题，我校“金属同位素与壳幔物质循环”求真研究群体成员、科学研究院何永胜副教授基于中国东部新生代玄武岩的铁（Fe）同位素研究，取得以下创新性研究成果：

1、研究发现中国东部新生代玄武岩具有显著的Fe同位素分馏，δ⁵⁶Fe的变化范围为0.10~0.29，系统高于洋中脊玄武岩（MORB，~0.10）（图1）。结合风化和岩浆分异指标，中国东部玄武岩δ⁵⁶Fe的变化不是岩浆分异和风化蚀变等后期过程的结果，而反映初始岩浆的成分差异。结合其他同位素比值，中国东部新生代玄武岩中普遍存在一个具有高碱度、高Fe³⁺/∑Fe、重Fe同位素组成的岩浆端元组分。

2、结合其低Fe/Mn，低TiO₂含量和高碱(Na₂O+K₂O)含量，该重Fe同位素端元应来自氧化性橄榄岩源区。Fe同位素估计表明其源区的Fe³⁺/∑Fe高达0.15。该重Fe同位素端元具有低Ba/Th、H₂O/Ce、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和δ²⁶Mg以及高δ⁶⁶Zn，表明其源区氧化和碎屑沉积物和水的加入无关，而和再循环碳酸盐在深部（> 300 km）地幔交代有关，存在3Fe²⁺ à 2Fe³⁺ + Fe⁰; CO₂ + 2Fe⁰ à C + 2Fe²⁺O; 即CO₂ (碳酸盐) + 4FeO à C (金刚石) + 2Fe₂O₃ (氧化剂)的系列反应（图1、图2）。源区的Fe3+在地幔熔融时，优先进入玄武岩，形成高Fe³⁺/∑Fe岩浆组分，而还原剂C作为金刚石被留在地球深部。

3、证实了现今地球存在深部碳循环驱动的地球深部向浅表的净氧迁移机制，即CO₂ (碳酸盐) à C (金刚石) + O₂ (氧化剂释放地表)（图2）。该净氧迁移机制的效率与地表碳酸盐通过俯冲带进入深部地幔的通量有关，取决于俯冲带的地温梯度。全球俯冲带的地温梯度在太古代-元古代边界和元古代末发生台阶式降低，与大气的两次主要氧化事件（大氧化事件，GOE；新元古代氧化事件，NOE）发生的时间高度一致（图3）。深部碳循环驱动的净氧迁移机制的重要载体是碳酸盐化地幔熔融产生的高碱度和氧化性幔源岩浆岩。在俯冲带地温梯度降低的同时，全球碱性幔源岩浆的活动强度显著增加（图3）。这些资料表明，深部碳循环驱动的净氧迁移效率应随俯冲带的发育和地温梯度显著降低而升高，应促进了地球大气从早期富CO₂向现今富O₂的状态演化。

图1 中国东部新生代玄武岩δ⁵⁶Fe 与Fe/Mn、Fe³⁺/ΣFe、Ba/Th、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr(i)、H₂O/Ce、δ²⁶Mg和δ⁶⁶Zn 相关关系图。图B)中，计算熔体成分曲线旁的数字为地幔源区Fe³⁺/ΣFe。重Fe同位素岩浆端元被标注为HF。其他详情和数据来源见He et al. (EPSL, 2019)。

图2 深部碳循环驱动地球深部向浅表发生净氧迁移。Fe-C氧化还原耦合反应据Rohrbach & Schmidt (Nature, 2011)。

图3 地质历史上大气氧含量、俯冲带地温梯度以及全球岩浆组成和类型的演化。其他详情和数据来源见He et al. (EPSL, 2019)。 

上述成果发表在地球科学国际权威刊物《Earth and Planetary Science Letters》上：He Y.S., Meng X.N., Ke S., Wu H.J., Zhu C.W., Teng F.-Z., Hoefs J., Huang J., Yang W., Xu L.J., Hou Z.H., Ren Z.-Y., Li S.G., A nephelinitic component with unusual δ56Fe in Cenozoic basalts from eastern China and its implications for deep oxygen cycle. Earth and Planetary Science Letters, 512: 175-183.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.02.009