地球深部碳循环与碳酸岩成因研究进展

地球深部碳循环是指地球表层的碳在俯冲带进入地幔深部,然后通过岩浆或者脱气作用再把地幔中的碳释放到地球表层系统中的过程。人类对地球深部碳赋存形式和储量、不同储库的交换方式和交换量尚缺乏清晰认识,近年来随着分析技术的发展和研究的深入,深部碳循环的研究日益丰富。本文总结了地幔中碳赋存状态、地球深部碳储量、碳进出地幔方式及通量、俯冲带碳的行为和碳酸岩成因及成矿方面的研究。地幔中碳赋存形式多样且主要受地球深部压力及氧逸度控制。相平衡实验和热动力学计算发现碳酸盐化榴辉岩在300～600 km发生部分熔融,交代地幔橄榄岩形成碳酸盐化地幔橄榄岩。碳酸盐化地幔橄榄岩的熔融又会形成碳酸岩熔体,这说明俯冲再循环物质可能对碳酸岩的成因起重要作用。碳酸岩是研究深部碳循环的良好载体,其源区特征、岩浆演化过程对示踪碳在地幔和地壳过程中的迁移至关重要。虽然深部碳循环在碳赋存形式、碳储量及通量、俯冲带碳的流变行为和碳酸岩成因对深部碳循环的启示方面已经取得了较大的研究进展,但仍有大量的科学问题亟待解决,如:沉积碳酸盐岩再循环进入地球深部后的行为、俯冲带板片流体地球化学行为、俯冲带流体氧逸度特征等,将来有必要重点开展深入研...     

岩石有机碳风化及其控制因素

岩石有机碳为岩石地层中的有机碳,是地球上重要的碳储库。岩石有机碳的氧化、风化过程向大气排放二氧化碳,是地质碳循环过程的关键环节,对维持地球长尺度碳平衡以及表层环境的长期宜居性有重要意义。近年来,岩石有机碳氧化、风化过程的研究取得了显著发展,相关研究已经从剖面拓展到流域尺度,定量方法也在日益精确。本文系统综述了近些年国内外针对岩石有机碳自身结构性质、风化速率定量方法、控制因素和风化通量统计等问题的研究现状,以期对全球范围内岩石有机碳风化在研究地质碳循环过程中的关键性和当前进展及发展趋势有更加系统性的认识,并对相应的关键性科学问题进行更加深入系统的研究。     

俯冲带脱碳和固碳作用过程

俯冲带作为联系地表和地球深部系统的纽带,不仅是将地表碳带入地球深部的主要通道,也是地表物质和地球深部物质发生交换的重要场所。俯冲作用可以将地表碳以有机碳或无机碳酸盐矿物等形式带入地球深部,再通过火山作用或去气作用返回到地表系统。俯冲带深部碳循环控制着地表碳通量变化,对于研究全球气候变化和地球宜居环境具有重要意义。本文结合前人的相关研究成果,综合探讨了俯冲带的脱碳机制及固碳作用过程。俯冲带脱碳机制主要有变质反应脱碳、流体溶解脱碳和熔融作用脱碳。从俯冲板块释放的含碳流体不一定都会迁移返回地表,有一部分含碳流体在迁移演化过程中会和围岩发生反应,形成不易迁移的其他含碳相(碳酸盐、石墨或金刚石)而重新固存在俯冲板块以及上覆地幔楔中(固碳作用),进而影响碳在不同储库中的含量变化,在计算俯冲带释放碳通量时需要考虑这一过程的影响。     

洋壳深俯冲过程中碳酸盐的稳定性与金刚石成因初探

<正>深部碳循环是全球碳循环体系的重要组成部分,它是指伴随洋壳俯冲作用,大量含碳矿物被带入地球深部,经历一系列地质作用后,再通过岩浆和火山作用将碳带回地表的过程。地震学、地质学和地球化学等研究表明,洋壳能够俯冲到地幔过渡带底部、甚至核幔边界;最近,Walter等人(2011)对产自巴西Juina金伯利矿床的"超深"金刚石进行了研究,发现该金刚石含有源自地表的轻碳同位素,而且其包裹体中含有洋壳玄武岩组分。这一发现有力地证实了碳循环可以深入下地幔1400 km[1]。     

金刚石矿物学、包裹体及碳稳定同位素研究综述

金刚石是地球上最坚硬、对形成环境要求最苛刻的矿物之一。金刚石的矿物学特征、包裹体特征及碳稳定同位素组成记录了金刚石生长、熔蚀、搬运等地质过程中的温度、压力及物质成分等信息,是探索金刚石物质来源、形成过程和地球深部物理化学环境的重要研究对象。总结了国内外金刚石矿物学特征、包裹体特征和碳稳定同位素组成的相关研究成果,发现金刚石晶形和组合及其颜色可大致区分金刚石来源; 金刚石表面特征是区分原生金刚石与砂矿金刚石的重要鉴别特征; 金刚石包裹体类型及组合、包裹体年代学及金刚石碳稳定同位素研究,可分析金刚石物质来源和地球深部物理化学环境,确定金刚石形成时代,为研究金刚石成因、地幔岩石圈深部作用过程以及壳幔相互作用提供重要依据。     

金刚石矿物学、包裹体及碳稳定同位素研究综述

金刚石是地球上最坚硬、对形成环境要求最苛刻的矿物之一。金刚石的矿物学特征、包裹体特征及碳稳定同位素组成记录了金刚石生长、熔蚀、搬运等地质过程中的温度、压力及物质成分等信息,是探索金刚石物质来源、形成过程和地球深部物理化学环境的重要研究对象。总结了国内外金刚石矿物学特征、包裹体特征和碳稳定同位素组成的相关研究成果,发现金刚石晶形和组合及其颜色可大致区分金刚石来源; 金刚石表面特征是区分原生金刚石与砂矿金刚石的重要鉴别特征; 金刚石包裹体类型及组合、包裹体年代学及金刚石碳稳定同位素研究,可分析金刚石物质来源和地球深部物理化学环境,确定金刚石形成时代,为研究金刚石成因、地幔岩石圈深部作用过程以及壳幔相互作用提供重要依据。     

金刚石矿物学、包裹体及碳稳定同位素研究综述

金刚石是地球上最坚硬、对形成环境要求最苛刻的矿物之一。金刚石的矿物学特征、包裹体特征及碳稳定同位素组成记录了金刚石生长、熔蚀、搬运等地质过程中的温度、压力及物质成分等信息,是探索金刚石物质来源、形成过程和地球深部物理化学环境的重要研究对象。总结了国内外金刚石矿物学特征、包裹体特征和碳稳定同位素组成的相关研究成果,发现金刚石晶形和组合及其颜色可大致区分金刚石来源;金刚石表面特征是区分原生金刚石与砂矿金刚石的重要鉴别特征;金刚石包裹体类型及组合、包裹体年代学及金刚石碳稳定同位素研究,可分析金刚石物质来源和地球深部物理化学环境,确定金刚石形成时代,为研究金刚石成因、地幔岩石圈深部作用过程以及壳幔相互作用提供重要依据。     

陆内穿地壳岩浆系统及其去气作用和环境效应SCIEI北大核心CSCD

岩浆作用是联系地球深部与表层碳储库的桥梁,是全球碳循环的重要一环。揭示岩浆作用与碳循环之间的关系对理解地球系统演化过程中的环境效应和气候变化有重要意义。本文综述了前人在岩浆系统研究的重要进展,介绍了陆内穿地壳岩浆系统,梳理了从幔源岩浆底侵和地壳熔融,到岩浆上升、累积、混合、分异直至喷出等物理化学过程,构建了地壳岩浆活动的统一框架。岩浆过程同时控制着挥发分行为,岩浆自身的去气作用将地球深部挥发分带到地表,而接触热变质作用可改造围岩并将其中的碳脱出。基于穿地壳岩浆系统,本文系统阐述了岩浆挥发分的来源、组成、行为,及其释放到大气中对气候与环境产生的潜在影响。尤其是针对中国华南地区分布的大量陆内中生代的侵入岩和火山岩,结合同期广泛分布的巨厚碳酸盐岩,介绍和展望了陆内岩浆系统和去气作用的联系及环境效应,提出该时期的岩浆活动及其与碳酸盐岩的反应很可能对局部乃至全球的气候造成了显著的影响,该领域有较大研究潜力。     

俯冲带深部碳循环:问题与探讨

碳循环可以分为地球表层短周期的地表碳循环和地球内部长周期的深部碳循环。地球的碳90%以上是赋存在固体地球内部,因此深部碳循环研究对于探讨地表碳循环过程具有重要意义。本文较深入地探讨了俯冲带深部碳循环研究的现状和问题。目前俯冲带深部碳循环研究关键的科学问题包括:(1)俯冲带变质过程中含碳物质相的转变,(2)俯冲带脱碳机制,(3)俯冲带深部碳循环和地幔交代作用。俯冲带变质过程中含碳物质相的转变是深部碳循环研究的最基本问题,将是深部碳进一步研究的重点。俯冲带脱碳机制主要包括纯变质反应脱碳、流体溶解脱碳(流体渗透作用)、熔融作用脱碳和氧化还原反应脱碳4个方面,这是目前深部碳循环研究的前沿领域。俯冲带深部碳循环研究对于探讨地幔不均一性以及地幔交代过程都具有重要研究意义。     

深部碳循环的环境气候效应SCIEI北大核心CSCD

地球表层温度主要由接收的太阳辐射能量及大气温室气体的保温能力共同控制。CO_(2)等温室气体通过对大气温度的调节影响着全球环境气候变化,工业革命以来全球CO_(2)排放量的增加被认为是全球变暖的重要原因,地质历史时期大气CO_(2)浓度的波动与温室和冰室气候的交替出现相对应。地球超过90%的碳赋存于深部,因此地球深部过程的些许波动便会影响到地表碳含量,进而深刻影响着地球的环境气候变化。以往的研究注重地表碳循环对环境气候的影响,对深部碳的贡献考虑不足。最近十余年全球开展了详细的深部碳循环研究,基于已经取得的重要成果,本文从大火成岩省、裂谷和俯冲带的视角对深部碳循环驱动的环境气候效应进行了系统回顾。认为未来的研究需要对地球深部碳循环通量和碳同位素组成进行更精确的定量,这是我们认识深部碳循环对地表环境气候影响的基础;除了碳元素本身我们还需要关注其他挥发性元素和有害金属元素的综合效应;俯冲带作为全球壳-幔相互作用和物质交换循环最重要的场所,应该是进行深部碳循环观察和环境气候效应研究的重点。     

Another Source of Atmospheric Methane

The atmospheric concentration of methane is steadily increasin.Lacking of precise estimates of source and sink strengths for the atmospheric methane severely limits the current understanding of the global methane cycle.Agood budget of atmospheric methane can enhance our understanding of the global carbon cycle and global climate change,The known estimates of the main source and sink strengths are gresented in this paper,In terms of carbon isotopic studies,it is evidenced that the earth‘s primodial methane,which was trapped in the earth during its formation,may be another source of methane,with extensive,earth‘s degassing which is calleld the “breathing“ process of the earth and played an important role in the formation of the promitive atmosphere,large amounts of methane were carried from the deep interior to the surface and then found its way into the atmosphere.     

Study of Carbon‐Bearing Particles in Ascending Geogas Flows in the Dongshengmiao Polymetallic Pyrite Deposit,Inner Mongolia,China

Samples of ascending geogas flow particles were collected on to SiN grids directly in the Quaternary sediments overlying the Dongshengmiao polymetallic pyrite deposit, China. Corresponding soil samples were collected in the surface of Dongshengmiao district at the same time. After pretreatment, these SiN grid samples were analyzed by transmission electron microscopy. The tests focused on the characteristics of particles including size, shape, chemical composition, structure and association. The results show that there are numerous carbon‐bearing particles in particulate samples of the ascending geogas flow. The particles contain organic matter, carbonate or carbonate mixed with other minerals. These carbon‐bearing particles generally contain metallic elements like Fe/Zn/Au/Cu/Pb. However, all of the soil particles do not contain elemental C and only consist of common elements (O, Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti) just like the composition of earth crust. Through a comparison between the particles from different sources, the carbon‐bearing particles were found to come only from the deep earth and carried useful information about concealed deposits as they pass through the deep‐seated orebodies. Given the influences of organic matter on mineralization, the carbon‐bearing particle may provide information on the deposit genesis. Combining the use of geogas particle for prospecting with characteristics of large depth, and the carbon‐bearing materials' close spatial and genetic relationship with orebodies, we propose a new prospecting method based on the characteristics of carbon‐bearing particles, including morphology, size, chemical component and ultra‐microstructure. This approach could be applied to the exploration of deposits deep in the earth and abundant in carbon‐bearing matter. This approach can provide efficient and effective deposit exploration.     

深部碳循环的锌同位素示踪研究进展

深部碳循环和地球表层的碳循环一起构成了全球的碳循环.因为地球超过90%的碳都位于深部,深部碳循环研究对于理解地球长期的气候变化具有重要的科学意义.深部碳循环研究涉及多个科学问题,其中最重要的科学问题之一是如何准确识别地幔中的碳是再循环的地表碳.锌作为亲石元素,广泛存在于岩浆岩、地幔和碳酸盐岩中.地幔和地表沉积碳酸盐岩之间锌同位素组成存在显著的差异,而板块俯冲脱水、地幔部分熔融和岩浆结晶分异等过程导致的锌同位素分馏较为有限,因此锌同位素具有示踪深部碳循环的潜力.系统阐述了锌同位素示踪深部碳循环的原理,回顾了目前应用锌同位素示踪深部碳循环取得的阶段性成果,并指出锌、镁同位素联合示踪有望成为未来深部碳循环研究的主流.      

地幔氧逸度与俯冲带深部碳循环

地幔氧逸度通过改变含碳相的存在形式和迁移方式来影响深部碳循环。本文结合最新的地幔氧逸度实验模拟和岩石学研究成果,探讨了地幔氧逸度时空分布对深部碳循环的影响。文章重点结合地幔减压熔融形成洋壳、新生洋壳蚀变、洋壳俯冲变质、深俯冲洋壳熔融以及俯冲洋壳物质(流体和固体)通过岩浆(岛弧和地幔柱)作用循环出地表等重要地质过程,探讨了伴随洋壳俯冲作用的深部碳循环过程。由于地幔氧逸度的时空变化,俯冲带含碳相表现出不同的存在形式和迁移能力。通过对西南天山俯冲带碳循环的岩石学和实验研究,我们认为应当进一步深入研究俯冲带氧化还原状态及其对俯冲带深部碳循环的影响。     

从地球过程到人地和谐--关于地球系统研究科学战略的思考

较为详尽分析了地球系统科学的由来与发展、我国地球系统科学研究所面临的机遇与挑战,阐明了我国开展地球系统科学研究的基本思路,从而提出8个战略重点：区域气候环境系统变化与适应;水系统、水循环与水安全;生态系统与全球碳循环;人类活动与地球表层系统;地球内部动力学与地球系统演化;地球灾变事件与生命过程;地球观测系统与地球系统模拟以及耦合过程动力学、响应动力学、适应和预测理论。     

Advance of Karst Critical Zone and Its Carbon Cycle

The category of karst critical zone includes surface karst zones with strong carbon-water-calcium cycle composed of atmosphere-precipitation-vegetation-soil-fissure-bedrock-water and huge karst underground space composed of karst pipeline/fissure-cave-underground river-aquifer, which is the frontier direction of karst earth system science research. This paper summarized the research results of carbon cycle and its effect on atmospheric CO₂ source and sink from the scientific development of karst earth system up to now, including the early carbon migration model,the calculation methods and results of current mainstream regional carbon sink and the new discovery of bio-carbon pump, etc. It discussed the problems that the current research frameworks of karst carbon cycle are too single or inconsistent and time scales of carbon turnover are not the same. It was proposed that systematic monitoring of carbon input, storage and output in karst critical zone should be carried out. The importance of karst carbon sinks in the global carbon cycle model should be more convincing through the construction of online high-resolution monitoring sites and the "3S" technology to achieve point-to-area research.