Nature:克拉通地幔物质迁移引发的大陆裂谷带深部碳聚集
Nature:克拉通地幔物质迁移引发的大陆裂谷带深部碳聚集
碳元素在地球各圈层间的循环影响着全球环境、气候乃至生物的长期演化。在碳循环各环节中,碳的具体迁移形式及相关定量估计是地球科学交叉领域的研究前沿和热点(相关前沿报道见《俯冲的碳》《大氧化事件与Lomagundi事件——由深部碳循环和增强的去气作用导致》)。
俯冲带、洋中脊、洋岛和岛弧以往被视为碳输入地球深部或返回浅表的主要场所(图1)(相关内容可见《俯冲的碳》)。然而,近年来人们愈发认识到大陆裂谷和大陆岩石圈是地球深部碳循环中不可忽视的一环(Foley and Fischer, 2017):经过地幔柱物质或富碳熔体(与俯冲、地幔对流等过程有关)的长期交代,大量的碳被封存于大陆岩石圈地幔中,使其成为地球重要的深部碳储库;而在大陆裂谷期(continental rifting),贮存在大陆岩石圈中的碳可通过在火山和张性断裂附近发生的去气作用(degassing)以CO 2 形式被释放进入大气(图1)。相关研究发现,地质 历史 时期全球大陆裂谷带发育峰期与大气CO 2 高浓度(温室)期存在对应关系(Brune et al., 2017),说明大陆裂谷去气可能对地球长期气候变化有重要贡献。
对大陆裂谷带CO 2 释放通量的估计有助于人们对地球大气CO 2 浓度长期变化及其影响因素的分析,是深入认识构造活动—气候变化关系的重要切入点。然而,由于现有采样不够充分、全面,人们对大陆裂谷带内部CO 2 释放通量的横向变化不甚了解,其中包括全球最大、出露最好的大陆裂谷带——东非裂谷带(Lee et al., 2016)。在以往对全球裂谷带CO 2 释放通量的估计中,这种横向变化也往往被人们所忽视(Brune et al., 2017)。
最近,美国Syracuse大学Muirhead及其合作者对东非裂谷带东段(图2a)进行了更全面的气体采样和源区探讨,并据此构建了横跨Balangida-Manyara 盆地(属于坦桑尼亚克拉通,岩石圈较厚)—Natron-Magadi 盆地(属于莫桑比克泛非期造山带,岩石圈较薄)的CO 2 去气通量剖面(图2b-图2d)。其结果显示:①克拉通一侧去气释放的CO 2 主要来自于地壳(低He/ 3 4 HeHe比值,平均0.05R A ),而造山带一侧则主要来自于岩石圈地幔(高He/ 3 4 HeHe比值,平均2.3R A ,高达4.0R A 以上)。这一结论也得到前人获得的东非裂谷带岩浆和地幔包体同位素地球化学数据(e.g., Halldórsson et al., 2014)的支持;②造山带一侧CO 2 释放通量(均值44.5–50.4 g m -2 d -1 )显著高于克拉通一侧(均值4.1–11.5 g m -2 d -1 )。
大量研究表明,太古代克拉通在其长期演化过程中经历了复杂的成分改造,其岩石圈地幔相比周围元古代造山带通常更富碳。那么,在坦桑尼亚克拉通-莫桑比克造山带边界区域,为何岩石圈地幔来源的CO 2 去气作用在相对贫碳的造山带一侧更显著?结合该地区地球物理资料所约束的岩石圈厚度横向变化和相关地球动力学数值模拟结果,Muirhead等对此现象做出了解释(图3):一方面,太古代坦桑尼亚克拉通本身渗滤性差,阻碍积累于其地幔中的碳上升抵达地表;另一方面,在克拉通-活动构造带交界处由于存在岩石圈厚度梯度,当被改造后化学元素富集的克拉通根部满足低流变强度、较低密度的条件时,克拉通岩石圈根会以侧向平流(laterally advecting)方式拆离,较轻的拆离物质可侧向迁移上百公里、同时垂向运移至活动构造带岩石圈底部(Currie and van Wijk, 2016)。因此,这些来自克拉通地幔的富碳物质发生减压熔融,部分富碳熔体在裂谷带岩石圈减薄的过程中穿过地幔抵达下地壳,熔体中的富碳挥发分最后通过火山作用或沿深切的张性断裂去气释放。与裂谷同期发育的碳酸岩(carbonatite)火山作用主要沿坦桑尼亚克拉通周缘而非裂谷带走向分布(图4),该现象同样支持上述受控于岩石圈厚度和成分横向变化的深部碳聚集机制。
图4 45 Ma以来与东非裂谷形成有关的坦桑尼亚克拉通区域火成碳酸岩分布。碳酸岩(紫色圈)主要沿坦桑尼亚克拉通边缘(紫色箭头)而非裂谷带主要走向(棕色箭头)分布(Muirhead et al., 2020)
Muirhead等人的研究揭示了大陆裂谷带内部CO 2 释放通量存在显著的横向变化,并且可能受控于与岩石圈厚度和成分横向变化有关的深部碳聚集机制。同时,这意味着若要更准确地估算全球大陆裂谷CO 2 释放通量,从而进一步探讨构造活动—气候变化关系,需要综合考虑裂谷带岩石圈厚度、成分及流变性的横向变化。然而,对于发育在克拉通边界附近的大陆裂谷带,富碳熔体产生的方式是以裂谷带薄岩石圈底部的减压熔融(decompression melting)为主(Muirhead et al., 2020),还是以克拉通厚岩石圈底部的低程度氧化还原驱动熔融(redox melting)为主,或裂谷不同发育阶段熔融方式不同(Foley and Fischer, 2017),尚存在争议。另外,除了俯冲带、洋中脊、洋岛与岛弧,以及大陆裂谷带之外,近年来本所郭正府研究员团队的大量研究表明,大陆内部青藏高原和长白山火山区是目前全球CO 2 的高通量释放区(见Werner et al., 2019和亮点报道《孙玉涛:玛珥湖温室气体释放:以长白山火山区为例》、《张茂亮:腾冲火山区的温室气体释放揭示大陆俯冲带深部碳循环机制》)。因此,陆内火山(包括休眠火山)的去气作用对于地球碳循环和气候长期变化的贡献也不容忽视(Zhang et al., 2018; Werner et al., 2019)。
【致谢:感谢李献华院士、王选策教授、郭正府研究员对本文提出的建议。】
主要参考文献
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.(链接)
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.
Nature:克拉通岩石圈地幔的成因模型
古老的克拉通岩石圈地幔是在地球演化的早期阶段经过壳幔分异事件之后形成的,它们是原始地幔(主要由易熔的二辉橄榄岩组成)经过高程度的部分熔融,大量玄武质熔体被抽取之后残余的难熔组分(以难熔的方辉橄榄岩为主),因此,古老的克拉通岩石圈地幔具有明显富Mg、贫Fe、高度难熔的组成特征。玄武质熔体被...
Nature:克拉通地幔物质迁移引发的大陆裂谷带深部碳聚集
然而,对于发育在克拉通边界附近的大陆裂谷带,富碳熔体产生的方式是以裂谷带薄岩石圈底部的减压熔融(decompression melting)为主(Muirhead et al., 2020),还是以克拉通厚岩石圈底部的低程度氧化还原驱动熔融(redox melting)为主,或裂谷不同发育阶段熔融方式不同(Foley and Fischer, 2017),尚存在...
Nature Geoscience:解读现代超高温(UHT)变质作用的形成机制
一些研究者认为,UHT变质作用可能并非仅限于碰撞造山挤压环境,伸展构造,如大洋俯冲带后的弧后裂谷,也可能形成高地温梯度的条件,导致巴肯式变质作用。例如,华北克拉通孔兹岩带的研究显示,经历过减压升温过程的UHT麻粒岩,暗示了碰撞挤压和随后的岩石圈伸展对下地壳热状态的影响。美国西南部的奥格兰德裂谷...
李玮等-NC:天山造山带的陆内变形机制
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具有高放射成因铅同位素的殷商青铜器的来源
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用垂直地震方法研究中国满洲里—绥芬河地学断面域内地壳上部的拆离断层...
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燕山造山带演化可能的动力学模型
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《自然》(20210429出版)一周论文导读
https:\/\/www.nature.com\/articles\/s41586-021-03395-5 摘要 克拉通的地幔根被认为是地球大陆长期稳定的特征,但也有证据表明它们在最近和更遥远的过去发生了分裂。在此,我们研究了加拿大北极克拉通岩石圈的地幔橄榄岩携带的地幔包体和地震学,其中包括12.7亿年前受麦肯齐地幔柱事件影响的地区。 我们论证了地幔柱上升...
院士简介
这一发现对阐明上地幔低速高导层(软流层)成因和大陆造山带物质不均匀流动具有广泛的意义,该研究成果发表在国际著名Nature(《自然》)杂志(1994),并获该杂志的封面。他新建立了超高压榴辉岩流变本构方程,为揭示大陆碰撞造山带深俯冲榴辉岩质岩石圈板块断开(或拆沉)机制提供了实验依据,对了解天然榴辉岩塑性变形和...
地球科学前沿研究
a.扬子与华北克拉通对接后,在秦岭造山带南侧发育坳陷带b.构造应力场大转换地幔隆起、岩浆底侵形成的斑岩型-夕卡岩型-Manto型铜金铁矿成矿系统;c.岩石圈大减、薄软流层物质上侵大规模岩浆-火山活动和120百万年的玢岩铁矿成矿系统 专栏6 北京首都地区大气、水、土环境污染机理与调控原理 本项目为国家重点基础研究...
诏阅西诺: 克拉通盆地区地壳厚度稳定,结晶地壳和“花岗岩层” 的厚度都相对较大.克拉通盆地的基底和地壳底面都比较平缓,基地常为平缓的大型碟状坳陷,一般不存在强烈的莫霍面隆起,软流圈相对较深,中-新生代岩浆活动微弱,盆地热流值偏低...
永顺县19428686474: 克拉通的介绍 - ?
诏阅西诺: 大陆地壳上长期稳定的构造单元 ,即大陆地壳中长期不受造山运动影响,只受造陆运动发生过变形的相对稳定部分,常与造山带(Orogen)对应.“W.H.施蒂勒1936年提出,作为与造山带相对应的地壳稳定地区.克拉通一词源于希腊语Kratos ,意为强度.1921年柯柏称之为“kratogen”,1936年施蒂勒改称“kraton”,当时还划分出高克拉通和低克拉通,分别对应于大陆和大洋盆地,由于后来已证实大洋是活动的年轻地壳,今克拉通一词仅用于大陆地区,是地盾和地台的统称.
永顺县19428686474: 能否详细地解释地质名词“克拉通”(craton) - ?
诏阅西诺: 地壳上长期稳定的构造单元 .W.H.施蒂勒1936年提出,作为与造山带相对应的地壳稳定地区.克拉通一词源于希腊语Kratos ,意为强度.施蒂勒当时还划分出高克拉通和低克拉通,分别对应于大陆和大洋盆地,由于后来已证实大洋是活动的年轻地壳(见海底扩张说),今克拉通一词仅用于大陆地区,是地盾和地台的统称.
永顺县19428686474: 是炽热的岩浆,那为什么地球表面仍然坚固没有融化掉 - ?
诏阅西诺: 以现在的观点,地球形成的早期(冥古宙)受到大量的陨石撞击(或者说地球通过陨石物质的加积而形成).地球最初的热量来自由于受自身重力的压缩以及短半衰期核素的放射性衰变.此时的地球的化学成分基本是均一的(至少比现在均一,...
永顺县19428686474: “燕山运动”影响的深度 - ?
诏阅西诺: “燕山运动”是涉及软流圈-岩石圈系统的一次大灾变事件,致使华北东部克拉通岩石圈遭受巨大改造,从上面各章的讨论可以简要归纳如下:①火成岩方面,来源于对流地幔的玄武质岩浆,特别科马提质的辉长岩的出现,至少已涉及到约100...
永顺县19428686474: 岩石圈的厚度分布 - ?
诏阅西诺: 利用不同物理性质所估计的岩石圈厚度可能具有不同的地球动力学意义.大陆岩石圈等效弹性厚度往往只与岩石圈内部的某些岩层相关,因此它可能不代表一般意义上的岩石圈厚度.地震学岩石圈厚度虽然有较高的精度,但依赖于人为地对岩石...