镁同位素示踪变沉积岩的初始碳酸盐含量

大陆地壳中赋存有约2.6 × 10⁸ Gt的碳 (~ 75 – 80%为碳酸盐)，比地表大气圈、水圈和生物圈中的碳总量(4.4 × 10⁴ Gt) 高约四个数量级。如此巨量地壳碳的命运理应对全球碳循环以及地球宜居环境的形成与演化具有显著影响。Alcott et al. (2024) 基于大气和海洋的碳-磷-氧元素盒子模型，发现只有在陆壳不断累计碳时，才可复现出地质历史上大气和海洋的氧含量、大气二氧化碳含量、地表温度等地球宜居性关键参数的变化趋势。另一方面，Mason et al. (2017) 在全球许多陆缘弧火山气体中均发现较重的δ¹³C和较轻的³He/⁴He信号，指示陆壳中累计的沉积碳酸盐会经岩浆作用而活化，进而向大气释放大量CO₂。而显生宙以来全球陆缘弧岩浆作用强度波动与大气CO₂浓度变化间的强烈耦合表明，陆缘弧岩浆作用诱导的陆壳脱碳可能是地质历史上长周期的冰期-间冰期交替出现的重要驱动力，对全球气候演变产生了重大影响 (Cao et al., 2017; McKenzie et al., 2016)。以上研究现状表明，厘清陆壳中碳的输入和输出通量、以及净碳累积比例(即：碳保存效率)，是评估陆壳在全球碳循环中中所扮演角色的关键。

纯碳酸盐在大陆地壳中具有极高的热稳定性。相比之下，含碳酸盐的变沉积岩在较低的温度下就可以发生热脱碳作用。变质岩中残余碳酸盐丰度可以直接观察，因此估计陆壳碳保存效率的关键在于如何获得变沉积岩的初始碳酸盐含量（ICA；即热脱碳前原岩中的碳酸盐丰度）。然而，对于经历过高级变质作用、地壳深熔和熔体提取的变质岩样品而言，常规的元素数据很难反演其原岩中的初始碳酸盐含量。因此，亟需一种可以免受上述地质过程干扰的示踪工具。鉴于碳酸盐矿物和硅酸盐矿物之间显著的镁同位素组成差异，以及部分熔融过程中有限的镁同位素分馏 (Teng，2017)，镁同位素可能是定量示踪变沉积岩样品中初始碳酸盐含量的潜在工具。

针对上述科学问题，来自中国地质大学（北京）的博士后石卿尚在何永胜教授和赵志丹教授的指导下，与意大利都灵大学的Chiara Groppo和Franco Rolfo以及英国开放大学的Nigel Harris教授合作，对来自喜马拉雅造山带的变沉积岩样品开展了系统的元素和Mg同位素研究。主量元素结果显示喜马拉雅含碳酸盐变沉积岩样品呈现出两个混合趋势，分别代表碎屑硅酸盐端元和方解石端元以及白云石端元间的二端元混合。这支持其变质作用发生在内缓冲体系下，未发生除挥发分外的显著元素丢失或获取，这套变沉积岩的初始碳酸盐含量可由二元混合关系确定(图1)。含方解石和含白云石样品在相同的碳酸盐丰度时，其全岩Mg同位素组成类似，构建了如下关系：ICA (以CO₂计) = 5.83 × δ²⁶Mg² -7.82 × δ²⁶Mg + 0.25（图2）。模拟计算表明，方解石组样品中的初始碳酸盐受到了成岩作用过程的改造，使其具有较纯灰岩重Mg的同位素组成和较高的Mg/Ca比值。将喜马拉雅变沉积岩样品的数据与统计的全球沉积物和(变)沉积岩数据进行对比，发现上述定量方程可以示踪含碳酸盐的岩石样品 (包括沉积岩和变质岩) 中初始碳酸盐含量，对于成岩作用较弱的含碳酸盐沉积物，定量方程提供了初始碳酸盐含量的下限。结合陆壳Mg同位素组成的稳态盒子模型，该研究进一步限定大陆地壳现今的碳净增生通量为

约为洋中脊碳排放通量的七倍 (1.34 ± 0.23 Tmol/yr; Tucker et al., 2018)。考虑到当今大陆弧接触变质脱碳通量和喜马拉雅活动造山带的区域变质通量约为 ~ 1.67 Tmol/yr (Becker et al., 2008; Ramos et al., 2020)，这表明现今大陆地壳是个净的碳汇。假设陆壳深时碳酸盐增生量与保存下来的碳酸盐出露面积相关，可估计陆壳总的碳增生量约为

而陆壳现今的碳总量约为 4.24 ± 1.21 ×10²¹mol (Hirschmann, 2018)，由此可估计在地质历史上大陆地壳的平均碳保存效率约为

尽管相关定量结果尚存在较大的不确定性，但是该项研究表明大陆地壳是地表碳的长期净汇。另一方面，大量研究表明陆壳内累计的沉积碳酸盐可受构造岩浆活动的影响而活化(McKenzie et al., 2016; Cao et al., 2017; Mason et al., 2017; Girault et al., 2018)，且这些地质事件通常是幕式的 (如地震活动，Girault et al., 2018；大陆弧火山，McKenzie et al., 2016; Cao et al., 2017; Mason et al., 2017) 或爆发性的 (如大型火成岩省；Ganino and Arndt, 2009)。这使得大陆地壳的热脱碳通量在地球历史上可能会有显著波动。无论是作为长期汇还是“短期”源，大陆地壳应为深时大气的二氧化碳含量波动提供了重要的驱动力。

图1 (a-c)喜马拉雅变沉积岩样品(CaO)_N, (MgO)_N和(SiO₂)_N 含量间回归分析。灰色的线代表硅酸盐碎屑端元和低镁方解石(Mg/Ca = 0.002)之间的混合趋势。(d) 硅酸盐端元和方解石端元以及白云石端元之间的(MgO)_N和 (CaO)_N/(SiO₂)_N混合关系图。

图2 喜马拉雅含碳酸盐变沉积岩样品中初始碳酸盐含量与全岩δ²⁶Mg值之间的相关性。(b，c) 含碳酸盐变沉积岩样品中初始方解石和白云石的δ²⁶Mg值。(d)文献中已报道的灰岩和白云岩δ²⁶Mg值。

图3 喜马拉雅变沉积岩数据与全球含碳酸盐沉积物以及 (变)沉积岩数据间的对比。虚线为硅酸盐碎屑端元与低Mg方解石 (δ²⁶Mg: -4.72 ‰, Mg/Ca = 0.002) 之间的混合线。

图4 (a) 地质历史上不同时间范围内全球花岗岩类岩石δ²⁶Mg的加权平均值。(b, c)稳态箱形模型的卡通图 (b) 和示意图 (c)。