大一下地球科学前沿deepcarbon

深部碳循环DeepCarbonCycle张立飞北京大学地球与空间科学学院2015年5月15日地球的碳循环深部碳循环

地球深部可能含有超过地球90%以上的碳含量，如此巨量的碳对地表碳循环（气候变化，环境污染，能源短缺）有重要意义。

Javoyetal.,1982,NatureFrost,2012,AnnualreportofBGI俯冲带深部碳循环

碳在地表系统和地球深部系统间主要通过俯冲变质作用和火山岩浆作用作用循环交换。地表碳主要通过俯冲变质作用以各种含碳相形式带入到地球深部地幔。Berner,2003,Nature改自Polietal,2009,EPSL火山活动期喷出的温室气体1980年圣海伦斯火山喷发火山休眠期释放的温室气体特征火山热泉微渗漏火山喷气孔

美国黄石公园火山区向大气圈输送CO2气体：每年1.5×105吨。休眠火山温室气体排放的研究实例（3）PhanerozoicTimeFirstshellyfossilsAgeoffishFirstvascularplantsonlandIceageIceageFirstdinosaursDinosaursgoextinctIceage(Pleistocene)Warm碳与气候变迁GeologictimeWarm(?)RiseofatmosphericO2(Iceage)SnowballEarthiceagesWarmIceageOriginoflife碳与气候变迁俯冲带碳通量估计

-大洋深部钻探Dasguptaetal.,2010,EPSLAndrew1977,DSDPreport深部碳研究的几个问题1、地球内部含碳物相及其存在形式2、俯冲带变质过程中含碳物相的转化3、油气的无机成因1213问题1：俯冲带不同含碳相的稳定性俯冲带中可能的含碳物相及其稳定性研究现状（改自HazenandSchiffries,2013）含碳相成分结构含碳量（mol%）不同体系的稳定深度（km）[参考文献]丰度（vol.%）白云石CaMg(CO3)2方解石结构20纯体系<150-240km[1]；俯冲带体系：<60-120km[2]变化铁白云石CaFe(CO3)2方解石结构20纯体系：<40km[1,3]；俯冲带体系：未知少量方解石CaCO3方解石结构20纯体系：<30-120km[4]；俯冲带体系:未知变化文石CaCO3文石结构20纯体系：>30-120km[4]；俯冲带体系：未知变化菱镁矿MgCO3方解石结构20纯体系：>150-240km[1]；俯冲带体系：>120-150km[2]变化菱铁矿FeCO3方解石结构20纯体系：未知；俯冲带体系：未知少量石墨C石墨结构100纯体系和俯冲带体系：<120km[5].<<1金刚石C金刚石结构100纯体系和俯冲带体系：>120km[5]<<1C-O-H-N流体C-O-H-N流体变化的未知少量甲烷CH4气体20纯体系：<50km[6,7];俯冲带体系：未知微量可燃冰[H2O+CH4]固体变化的>400m,<15℃[8]未知碳氢化合物CnH2n+2气体或者固态>20纯体系：>50km[6,7];俯冲带体系：未知微量有机质干络根固体变化的纯体系：变化[9];俯冲带体系：未知少量？碳酸岩熔体碳酸岩熔体变化纯体系：不全面[10]；俯冲带体系：变化[1]少量参考文献：1=(Taoetal.,2014);2=(DasguptaandHirschmann,2010)及其参考文献；3=(Morlidgeetal.,2006);4=(Franzolinetal.,2012);5=(Dobrzhinetskaya,2012);6=(Taoetal.,2015);7=(Kolesnikovetal.,2009);8=(Milkov,2005);9=(Panetal.,2006).10=(ByrnesandWyllie,1981;Wyllie,1965)Fe3CFeFe-CMeltFeFe7C3地核碳EliBroshFeiandBrosh[2014]在Fe-C系统计算的高温高压相图金伯利岩的分布图1617金刚石碳同位素特征1819超高压变质金刚石Ogasawara,2005,Element21Schertletal.,2013,JAES22金刚石包体在石榴石中与流体包裹体在一起问题2：俯冲带变质过程中含碳物相的转化1.固相反应脱碳2.流体溶解脱碳3.熔融作用脱碳4.氧化还原状态控制Ague,20001.固相反应脱碳？CaMg(CO3)2=CaCO3+MgCO3Frezzottietal.,2011,NG2.流体溶解脱碳？（CraigE.M.，2014，NG）3.熔融作用脱碳？(a)水饱和泥质岩和碳酸盐化玄武岩

(b)碳酸盐化泥质岩

(c-d)碳酸盐化榴辉岩Yaxley,20154.俯冲带氧化还原作用Frost&McCammon,2008,RMGRohrbach&Schmidt，2011,Nature深俯冲碳酸盐（熔体）可以在深部地幔（250km)还原成金刚石，但是对俯冲带本身的氧逸度及其对深俯冲碳酸盐的影响依然未知。各种地质单元氧逸度条件俯冲脱碳流体与地幔楔相互作用1.弧前地幔楔（P=1-2GPa;T<650oC）低温碳封存作用2.弧下地幔楔(P=3-5GPa;T=850-1100oC)俯冲含碳流体交代作用Tumiatietal.,2013,JP问题5：深俯冲含碳相对地幔岩石物理化学

性质的影响1.碳酸盐化地幔岩石熔融温度和深度？2.地幔电导率，地震波速异常解释3.地幔C，Mg，Ca同位素不均一性解释4.深俯冲碳酸盐交代深部地幔熔体属性（富Na，K还是富Ca，Mg）？Dasguptaetal.,2013,NatureDeines,2002地幔碳同位素不均一用俯冲碳酸盐解释地幔镁同位素异常（Yangetal.,2012,CG）研究实例：西南天山俯冲带碳循环

Zhangetal.2013,CSB

西南天山是目前为止规模最大的洋壳超高压俯冲变质带，其深俯冲变质蛇绿岩中发现大量的碳酸盐矿物。Lü

etal.,2013,JAES含碳酸岩变泥质岩碳酸盐化榴辉岩Lüetal,2014,EJM西南天山俯冲带含碳相—碳酸盐矿物Lüetal,2013,JAESZhangetal,2003,JMG大理岩变泥质岩榴辉岩Lüetal,2014,EJM蛇纹岩西南天山俯冲带碳酸盐稳定性

—与硅酸盐反应Zhang，2002b，AM西南天山俯冲带碳酸盐稳定性

—白云石高压分解Taoetal.,2014,GCAZhangetal,2003,JMG方解石（文石）+菱镁矿=白云石西南天山俯冲带碳酸盐稳定性

—氧化还原Frost,2012,AnnualreportofBGI3CaFe(CO3)2=3CaCO3+Fe