• 近日,南方科技大學地球與空間科學系副教授景志成團隊及合作者在地球深部碳循環研究領域取得重要進展,相關研究成果在國際頂級學術期刊《美國科學院院刊》(PNAS) 上在線發表。

    碳是構成地球生物和化學能源的基本元素,亦是影響全球氣候變化的主要因素。地球上超過90%的碳存在于地球內部,因此研究碳在地表圈層與地球內部圈層,包括地幔和地核之間的循環對于研究地球可宜居條件的形成和氣候的長期變化有重要意義。表層碳以碳酸鹽的形式在海溝處通過海洋板塊俯沖進入地幔深部,再通過地幔熔融和巖漿脫氣等過程以二氧化碳等形式通過火山噴發返回地表,完成深部碳循環。

    在此循環過程中,極少量碳酸鹽即可顯著降低地幔巖石(橄欖巖)的熔點,因此產生分布于地幔礦物晶粒邊界的富碳地幔熔體。含碳熔體在地幔中的分布和運移對于深部碳循環的空間范圍和時間尺度有決定意義。巖石學和地球化學的研究間接顯示了碳酸鹽熔體在地幔深部的存在和重要性,但受實驗技術所限,缺乏地幔在相關高溫高壓條件下的碳酸鹽熔體地震波波速和彈性的實驗測量結果,也就無法通過與地震觀測比較來探測深部地幔中的碳酸鹽熔體。

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    圖1. 地球深部碳循環及碳酸鹽熔體在上地幔中可能的分布

    研究團隊基于團隊此前發展的一系列高溫高壓下熔體物性測量的實驗技術,結合大腔體壓機和同步輻射技術,采用超聲波方法和沉浮法,在國際上首次測量了高溫高壓下上地幔主要碳酸鹽(白云石,CaMg(CO3)2)熔體的聲波波速和密度,實驗壓力和溫度最高分別達到6 GPa(6萬個大氣壓)和近1800°C。這一實驗結果為碳酸鹽熔體的地震學探測提供了可能。同時,該研究還通過第一性原理分子動力學方法對碳酸鹽熔體的物性進行了理論模擬,計算結果與實驗結果相符。在這些結果基礎上,該研究計算了含碳酸鹽熔體的上地幔的地震波波速。

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    圖2. 使用超聲波方法原位測量高壓下碳酸鹽熔體的聲波波速

    (a)樣品長度測量 (b)聲波在樣品中的傳播時間測量

    研究顯示,極少量的碳酸鹽熔體的出現雖然對地幔巖石的壓縮波(P波)和剪切波(S波)波速影響很小,但可以顯著改變兩者的比值(VP/VS)。通過與地震學觀測到的結果對比發現,引入少量碳酸鹽熔體可以較好地解釋地球上地幔180-330km深處的VP/VS比值異常的原因,這意味著上地幔深部礦物晶粒間可能廣泛分布著微量富碳熔體(約占總體積的0.05%),對應80-140ppm的碳含量,這一結論有力支持了以往通過地球化學方法間接估算出的地幔碳含量。該研究估算了上地幔深部碳的總量為(2.0-3.6)×1019 kg,超過大氣中碳總量(~8.7×1014 kg)的20000倍。這意味著上地幔深部是一個重要的碳儲庫。

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    圖3. 實驗得到的上地幔VP/VS比值與地震觀測結果比較顯示碳酸鹽熔體在上地幔深部(180-330 km)的存在性

    南科大地球與空間科學系訪問學生許滿為論文第一作者,景志成為論文唯一通訊作者,南科大為論文唯一通訊單位。合作作者包括美國佛羅里達州立大學的Suraj K. Bajgain教授和Mainak Mookherjee教授,美國凱斯西儲大學的James A. Van Orman教授,以及美國芝加哥大學的Tony Yu教授和Yanbin Wang教授。該研究得到了中國國家自然科學基金、南科大理學院以及美國國家科學基金的資助。


    論文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2020/07/16/2004347117


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