深部碳循环：来自火成碳酸岩的启示

刘 焰

研究员，中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室，北京100037

深部碳循环：来自火成碳酸岩的启示

刘 焰

研究员，中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室，北京100037

深部碳循环 火成碳酸岩 地球内部构造运动 大气圈CO2浓度

全球碳循环研究对于理解现今及未来大气圈CO2浓度及其变化趋势至关重要。传统的碳循环研究多侧重于探讨碳元素在大气圈、水圈、生物圈等地球表层之间的循环过程，基本不讨论地球内部圈层碳元素地球化学的行为与循环，现在发现传统的研究方式已很难深刻认识大气圈CO2浓度变化的规律。探讨地球内部与表层碳元素双向交换过程的深部碳循环研究应运而生，成为当前全球碳循环研究的主要方向。火成碳酸岩主要由碳酸盐矿物所组成，是地球内部碳元素含量最高的岩石，因而成为深部碳循环研究的主要对象之一。当前的研究发现，相当一部分火成碳酸岩中的碳来自大气圈的CO2，是再循环的碳。地表附近消耗大气CO2所新生成的沉积碳酸盐岩借助板块深俯冲作用被带入地球内部，在（超）高温和含水条件下发生部分熔融作用，形成碳酸岩浆，后者再上侵形成火成碳酸岩，或者直接喷发至地表，碳元素又重返地球表层。因此，地球内部的构造运动主导碳元素在地球表层与内部的循环过程，进而控制大气圈CO2浓度长周期变化的趋势。

1 引言

当今社会颇为关注全球地表平均气温的变化规律与过程，其中讨论最热烈的一个议题就是大气CO2的作用。一个比较流行的观点认为，大气圈CO2浓度的快速增加所产生的“温室效应”将给人类的生存与发展带来严重的负面影响，因此需要限制碳的人为排放量。如何降低人类的碳排放量，已成为当今世界各国争执不下的一个“热点”议题。深入认识地球历史时期大气圈CO2浓度及其变化规律无疑是认识现今大气圈CO2浓度及其未来变化规律的重要基础。

大量多学科的研究充分揭示出：中生代大气圈CO2浓度至少是现今的10倍，新生代以来全球大气圈CO2浓度呈现明显的长周期下降趋势［1－5］。但长期困扰人们的一个问题是：为什么这一时期大气圈CO2浓度会发生显著的下降？大气圈中巨量的CO2到何处去了［6］？这就需要先了解碳元素的循环过程才有可能认识这一问题。

2 地球系统的碳循环

地球是一个有机组成的整体，包括大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等圈层。碳元素在这些圈层之间的运动，称为碳循环。其中，将CO2从大气圈移出，称之为碳汇，向大气圈排放CO2，则称为碳源。地球系统的碳循环还可按循环的时间尺度进一步分为长周期与短周期，大于100万年以上的碳循环为长周期碳循环。

早期人们多关注碳元素在地球表层的循环过程，如碳元素在大气圈、水圈及生物圈之间的循环过程，已积累了比较丰富的研究数据，例如，发现海相灰岩的形成将大量消耗大气CO2（图1）；发现造山运动可促进山脉的隆升，而快速隆升的山脉又将进一步诱发组成山脉的硅酸盐矿物的化学风化，从而大量消耗大气CO2［7］，等等。但是，需要指出的是，这种研究模式却很少考虑碳元素在地球内部圈层的循环过程，因此很难回答“中生代末期以来大气圈中巨量的CO2到何处去了？”这样的问题。例如，很早人们就已认识到快速隆升的青藏高原，可以促进硅酸岩的化学风化、有机碳的埋藏等作用，从而大幅降低大气圈中CO2的含量，最终导致长周期的全球变冷［8－9］。硅酸岩的化学风化确实能大幅降低大气圈中CO2，但这些学者认为化学风化的最终产物，包括HCO3

－等物质最终进入了海洋。确实，海洋是个大水库，虽然能够吸纳巨量的大气CO2，它却不能无限地容纳CO2，它本身还持续不断地向大气圈排放CO2（图1），即有一部分化学风化所消耗的CO2又重返大气圈。更重要的是，青藏高原本身还通过火山活动、温泉、大型断裂带、泥火山等多种方式直接向大气圈排放CO2。因此，若将青藏高原视为一个独立的子系统，它到底能净吸收多少CO2？争议颇大［10－13］。这些争论充分反映了传统的地球表层碳循环研究方式已不能深刻地认识地球历史时期大气圈CO2浓度变化的规律，探讨碳元素在地球表层与内部的双向交换过程的深部碳循环研究因此成为当前全球碳循环过程研究的主要方向。

图1 海洋与大气CO2相互作用之简图，示意海相灰岩的形成以消耗大气CO2为代价

由于深部碳循环为长周期的碳循环，因此，笔者主要分析长周期碳循环的具体方式。

2.1 长周期的碳汇过程

2.1.1 硅酸盐的化学风化

大气圈中的CO2与水汽结合，形成碳酸。不需要外界能量，大气中的碳酸就能与大多数硅酸盐矿物进行自发性的化学反应，从而消耗大气圈中的CO2，并产生新的碳酸盐矿物。下面为三个常见的化学反应简式［7］：

2.1.2 沉积碳酸盐岩的形成

空气中的CO2与海水、湖水内的钙、镁等阳离子发生化学反应形成碳酸盐矿物，并从水体中结晶出来，然后再经历埋藏、压实与成岩等过程，最终形成沉积的碳酸盐岩。此外，水中的生物也需要消耗大气的CO2，生成其骨骼，生物死亡之后，其骨骼常常与新生的碳酸盐矿物共同成岩，形成生物碎屑灰岩。图1简略地描述了这些过程。

2.1.3 动植物被埋藏成岩

动植物在生长阶段，需要消耗大气圈CO2。例如，植物通过光合作用，将大气里的CO2转化为糖等有机物，以满足自身的生长，即动植物可将大气的CO2转化为有机碳储存于动植物体中。动植物死亡之后，在盆地内被快速埋藏，动植物中的有机碳可被转化为富含有机碳的岩石，如煤、石油以及炭质页岩等形式储存起来，而海洋中的放射虫等生物则需要消耗大气CO2，以生成其外壳，放射虫死亡后，常与水中的硅质组分一起成岩，形成放射虫硅质岩（图1）。

2.1.4 板块俯冲与汇聚

这是典型的长周期碳汇过程，海洋板块的俯冲作用以及陆块的汇聚作用均可将前述地表附近消耗大气圈CO2所新产生的碳酸盐岩类岩石、有机碳等固体物质带入地球内部，这是地表碳元素进入地球内部唯一的方式，因此也是深部碳循环重点研究的地质过程之一。

2.2 长周期的碳源过程

2.2.1 火山喷发

火山喷发是地球内部向其表层排气的主要方式，尤其是裂谷带的火山作用，可以将地球深部的CO2，CH4等气体直接送入大气圈内。CH4再被氧化成CO2。例如，东非大裂谷就可见碳酸岩浆直接喷出地表。

2.2.2 大型断裂带

大型断裂带，特别是张性的深大断裂带，比如洋中脊，大陆裂谷等地区，为地球内部圈闭的CO2，CH4气体提供了通向大气圈的管道。

2.2.3 高温基性和超基性岩浆的侵位

来自地幔深处的温度极高、水含量较少的基性、超基性岩浆侵位于大陆地壳内，短时间内在地壳内释放出大量的热能，可促进其周边含碳酸根的岩石，如碳酸盐岩等岩石的热分解，释放出CO2，这个过程类似现今“烧石灰”、“水泥生产”的过程。

2.2.4 含碳元素岩石的氧化

煤、石油、碳质页岩等含碳元素的岩石通过构造作用抬升至地表附近，与空气中的氧气发生反应形成CO2，这种过程类似于现今煤的燃烧，但反应速率远远小于煤的燃烧速率。

2.2.5 温泉活动

地表附近的温泉常与大断裂有成因上的联系，热水可促进碳酸盐类岩石的溶解，将固态的碳元素转变为CO2，再直接排放。

2.2.6 泥火山喷发

类似于火山喷发，但不是岩浆喷发，而是泥浆喷发，可将地表附近的CO2，CH4等气体直接排放进入大气圈。

3 火成碳酸岩研究回顾

火成碳酸岩系主要是由碳酸盐矿物所组成的岩浆岩，是地球内部碳元素含量最高的岩石。深入探讨此类岩石的起源与演化过程，有助于认识地球内部碳元素的地球化学行为，以及碳元素在地球内部与表层不同储库，如岩石圈与水圈、大气圈之间的循环等相关问题。因此，我们有必要先认识火成碳酸岩及其研究历史。

虽然早在1921年根据野外地质调查成果提出了火成碳酸岩的概念，认为由于碱性岩浆的侵位导致沉积碳酸盐岩发生部分熔融作用形成火成碳酸岩，但由于受当时实验条件所限，这一观点并不被当时的人们所接受。那个时代的学者只能在无水的干体系下开展岩石的部分熔融实验，发现碳酸盐矿物须在1 200℃以上的高温环境下才有可能发生部分熔融作用。因此，当时许多学者认为，沉积碳酸盐岩若要发生部分熔融形成碳酸岩浆，其周围的岩石早就被熔化了。也就是说，当时干体系下的实验岩石学研究结果不支持火成碳酸岩的观点，以Bowen为代表的著名实验岩石学家当时强烈地反对岩浆型碳酸岩的观点，他们认为所有的碳酸岩均为“水成”，这个观点在那个时代颇为流行［14］。20世纪50年代，Tuttle发明了塔特尔仪，这使人们能够开展含水条件（简称为湿体系）下的岩石的部分熔融实验，实验岩石学开始步入新的发展阶段。Tuttle和Bowen合作开展湿体系下花岗岩成因的实验岩石学研究工作，并于1958年发表经典论文《Origin of granite in the light of experimental studies in the system NaAlSi3O8－KAlSi3O8－SiO2－H2O》，极大地促进了陆壳重熔产生花岗岩浆（壳源岩浆）理论的发展［15］，也提升了人们对实验岩石学的认识。稍后，运用塔特尔仪开展了湿体系下沉积碳酸盐岩部分熔融的实验，发现在含水条件下，碳酸盐矿物在600～700℃，1～2 kbar（1 bar＝100 kPa）下就可以发生部分熔融作用［16］，表明沉积的碳酸盐岩确实可以在比较合理的温压范围内生成碳酸岩浆，这突破了过去所认为的只能在极端条件下才能形成火成碳酸岩浆的观点［14］。1962年，人们在东非大裂谷的Oldoinyo Lengai地区发现了正在喷出的碳酸盐熔浆，火成碳酸岩的概念才最终被广为接受。

由于二十世纪六七十年代所发现的火成碳酸岩均与碱性超基性岩共生，其地球化学性质，尤其是微量元素与同位素组成特征与沉积的碳酸盐岩截然不同，却与幔源岩石有诸多的相似之处。例如，当时所发现的火成碳酸岩以高含量的TiO2，BaO，SrO，P2O5，Nb2O5，REE，U和Th而不同于沉积碳酸盐岩。因此，尽管那时实验岩石学研究已经证实变质作用完全可以导致沉积的碳酸盐岩发生部分熔融作用形成碳酸岩浆［16］，但人们还是放弃这一观点，转而认为火成碳酸岩只起源于地幔，火成碳酸岩应该与碱性岩，尤其是与碱性超基性岩共生，应该富集稀土、稀有等元素，碳、氧、锶、钕等同位素组成（或比值）应该与幔源岩石一致等等；反之，若不具备这些特征，就认为是沉积岩或者变质岩，不可能是火成岩，即幔源火成碳酸岩与沉积（变质）的碳酸盐岩之间没有其他类型的火成碳酸岩的产出［17］。

实验岩石学已经证实了含碳酸盐矿物相的地幔岩，如二辉橄榄岩等地幔岩石发生极低部分熔融（＜1%）作用之后可以生成富含 CO2的原始熔浆［18－26］，但对富含CO2的原始熔浆如何演化、如何最终形成出露于地表的火成碳酸岩，还有不同认识，可概括为两种成因模型。一种成因模型认为，地幔岩在有CO2，H2O参与下，在地幔温压条件下，发生极低度部分熔融作用形成富含CO2的硅酸不饱和的硅酸盐熔体，如类似霞石岩浆成分的混合熔浆。这种混合熔浆先经历广泛的分离结晶作用，如橄榄石与白云石的分离结晶作用之后，残余岩浆在低压环境下，如在地壳中，或者在相对低压的环境下再发生熔体的不混溶作用形成火成碳酸岩与碱性岩。这种成因模型可以很好地解释大多数碳酸岩与碱性岩共生、碳酸岩常富集稀土等不相容元素的现象，还可以很好地解释金伯利岩中出现的富含碳酸盐球体或独立岩脉体［19，27－28］。但是，需要指出的是，实验岩石学研究表明，以这种方式所形成的碳酸岩多为方解石碳酸岩，白云石碳酸岩不可能由不混溶作用所形成［24－25］。目前大量的实验岩石学研究表明，地幔岩部分熔融所形成的原始碳酸盐熔体的成分多为白云质碳酸岩成分［18，20－23］，因此第二种成因模型则倾向于火成碳酸岩直接来源于地幔岩极低度部分熔融之后所形成的原始白云质碳酸盐熔体［29－30］。原始白云质碳酸盐熔体形成之后，既可直接喷出地表，如产出于赞比亚东南部的白云质碳酸熔岩可能就属这种成因［29］，也可先与地幔围岩发生交代反应，使原始碳酸盐熔体逐渐富钙，同时地幔岩也发生相应的改变，如可按下列反应形成方解石：CaMg（CO3）2（白云石熔体）＋ MgSiO3（地幔岩中的斜方辉石）＝ Mg2SiO4（交代的橄榄石）＋CaCO3（新生成的方解石熔体）＋CO2（新生成的流体）［30］。此外，这种原始的白云质碳酸盐熔体还可发生广泛的分离结晶作用导致其残余岩浆富碱与钙组分，即方解石碳酸岩来源于原始白云质碳酸盐熔浆。这种成因模型可以比较好地解释白云石碳酸岩与方解石碳酸岩之间的相互关系。

4 壳源火成碳酸岩

沉寂多时的“沉积碳酸盐岩部分熔融生成碳酸岩浆”的观点又复活了。1999年Lentz［31］再次从理论上阐述沉积碳酸盐岩确实可以发生部分熔融作用生成碳酸岩浆。他把这种碳酸岩称为壳源火成碳酸岩，而把由地幔岩部分熔融所形成的碳酸岩称为幔源火成碳酸岩，并指出，今后的一个任务是如何区分幔源与壳源火成碳酸岩。2004年赵斌等［32］以大冶铁矿区与矽卡岩共生的壳源火成碳酸岩的详细研究为基础，首次详细介绍壳源火成碳酸岩的基本特征。2006年Liu等［33］则从野外产状、岩石学特征、地球化学性质等角度详细论证另一类型壳源碳酸岩的存在，该火成碳酸岩产出于东喜马拉雅地区的高压麻粒岩杂岩之中，系由壳源含碳酸盐矿物在高温条件下部分熔融所形成。随后开展的实验岩石学研究进一步证实这一观点：含沉积碳酸盐矿物的表壳岩石在含水和（超）高温条件下确实可以发生碳酸盐矿物的部分熔融作用形成碳酸岩浆［34］。近来，各地陆续报道了壳源火成碳酸岩，特别是常在典型陆 陆碰撞造山带内发现此类岩石产出，如大青山［35］、西昆仑阿图什木吉［36］、南墨西哥［37］、也门共和国 Abyan省［38］等，充分说明这种类型的岩石广泛出露于自然界内。根据已有的研究成果，笔者进一步总结幔源、壳源火成碳酸岩、大理岩以及沉积碳酸盐岩的基本特征与鉴别标志（表1）。

表1 各类碳酸岩类岩石特征对比表

5 火成碳酸岩中碳的来源

当前比较关注幔源碳酸岩浆中碳的来源。越来越多的证据表明，有相当一部分幔源碳酸岩浆中的碳来自于再循环地壳表层的碳，地壳中的碳酸盐矿物以及含水矿物通过深俯冲方式大量地进入地幔深处，含水矿物发生脱水，形成游离的水，进一步促进地幔岩在含有碳酸盐矿物的条件下发生极低度的部分熔融作用形成火成碳酸岩浆［41－44］，其依据如下：

（1）现在越来越多的岩石学观察［45－46］、实验岩石学研究［44，47］和数值 模 拟 研 究 成 果［48］均 表 明，地 壳 表 层 的碳酸盐岩确实可以深俯冲的方式进入地幔深处。

（2）产出于板块汇聚边界附近的幔源火成碳酸岩的Sr，Nd与Pb同位素组成与地幔岩石相差较大。例如源自亏损地幔的火成碳酸岩的87Sr／86Sr的初始值一般小于0.706，εNd值多为正值（详见表1），但产出于板块汇聚边界附近的火成碳酸岩的同位素组成却远远偏离上述范围［41－43，49－50］，却与 壳 源 大 理 岩 比 较 相 似。 比 较 典 型的实例有：产出于意大利中、南部第四纪火成碳酸岩［49－50］、西喜马拉雅造山带［51］等地的火成碳酸岩的同位素组成、微量元素特征就与壳源大理岩相似，这充分反映板块汇聚地带附近的火成碳酸岩中的碳主要来自再循环地壳表层的碳。

（3）假设地幔中的碳均为地幔本身的碳，始终没有地壳表层碳的补给，从太古代至今均有火成碳酸岩的产出，那么从太古代至今地幔碳的含量应逐渐减少，即火成碳酸岩浆活动的频率与规模应从太古代至今显著降低，但事实正好相反［39，52］，这充分说明地幔的碳受到地壳表层碳源源不断的补给。

（4）很早就认识到地幔，尤其是中下地幔的氧逸度比较低［53－54］，CO2能否长期稳定地存在于深部地幔之中，还是一个问题。因此，地壳表层的沉积碳酸盐岩通过深俯冲的方式进入深部地幔是生成一部分幔源火成碳酸岩浆，特别是形成新生代火成碳酸岩浆的一个非常重要的前提条件。

至于壳源火成碳酸岩，其本身就是源自沉积碳酸盐矿物发生部分熔融作用之后所形成的岩石，这一类岩石中的碳全部为再循环的碳。因此，目前的研究发现，有相当一部分的火成碳酸岩中的碳是地表再循环的碳，与大气CO2有成因上的联系。

6 初步的结论

前述的分析表明，有相当一部分火成碳酸岩的碳来源于大气中的CO2，是再循环的碳，那么大气CO2又是通过哪些过程转化为火成碳酸岩的？

图1展示了大洋中的海水可将大气CO2转化为固体碳酸盐，后者在大洋盆地内埋藏、压实最终可形成海相生物碎屑灰岩。在板块汇聚地带，洋壳俯冲、消亡，洋壳之上的海相生物碎屑灰岩也随之进入地球内部，在200～300 km的地幔深处，碳酸盐矿物与地幔岩发生部分熔融作用，形成碳酸岩浆，然后碳酸岩浆再上侵，或者喷出地表形成火山岩，或者侵位于地壳浅部，意大利中、南部第四纪火成碳酸岩即为此过程所形成的火成碳酸岩的典型实例。

在陆 陆碰撞造山地区，最典型的实例就是小印度陆块与大亚洲陆块的持续汇聚，最终导致雄伟的喜马拉雅山脉和青藏高原的形成（图2）。组成高耸山脉的硅酸盐矿物依照前述的化学反应简式不断与大气中的CO2和水发生化学反应，持续遭受化学风化作用。一方面大量消耗大气CO2，另一方面，风化产物，包括新生的碳酸盐矿物，则快速堆积在喜马拉雅山前的盆地内，与此同时，消耗大气CO2所形成的动植物体也被掩埋在同一盆地内，共同经历沉积作用，形成富含碳元素的西瓦里克沉积杂岩。然后西瓦里克杂岩再随俯冲的陆块进入青藏高原深部，在有水和（超）高温条件下发生部分熔融作用形成壳源火成碳酸岩浆（图2），壳源火成碳酸岩浆再上侵就位于藏南地壳内。

图2 印度与亚洲陆块的汇聚，在此过程中将大气CO2转换为碳酸岩浆，并储存于藏南地壳之中

这些过程充分反映碳元素在地球表层与内部的循环过程实质上是受控于地球内部的构造活动，尤其是受控于全球性的板块运动，因此，地球内部的构造运动才是大气圈CO2浓度长周期变化过程的主要驱动力。

致谢：成文过程中曾与段振豪研究员、刘小汉研究员、王先彬研究员、江博明教授等进行过多次讨论，不断启发笔者进一步思考深部碳循环过程。成文时承蒙万天丰教授的鼓励，在此一并表示衷心的感谢。

（2012年4月30日收到）

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Deep Carbon Cycling：Enlightenment from Carbonatites

LIU Yan
Professor，StateKeyLaboratoryofContinentalTectonicsandDynamics，InstituteofGeology，ChineseAcademyofGeologicalSciences（CAGS），Beijing100037，China

The knowledge of global carbon cycle is critical to understanding of today’s atmospheric CO2contents and varying of atmospheric CO2contents in the future.Conventional researches of global carbon cycle focus mainly on the carbon cycling among atmosphere，hydrosphere，and biosphere at Earth’s surface.Carbon reservoirs and carbon geochemical cycling within Earth’s interior had hardly studied in the past.At present these conventional research methods have hardly illustrated the evolution of CO2contents of atmosphere.Deep carbon research，aiming at the carbon two-way exchanging between Earth’s interior and surface，became a current research hot-spot.Carbonatites are mainly made up of carbonate minerals and are the rocks of highest content of carbon within Earth’s interior.Therefore，carbonatites are the target of deep carbon cycling research.Current studies are further revealed that carbon from most carbonatites worldwide is from atmospheric CO2，and thus，is recycling carbon.New formation of carbonatebearing sedimentary rocks at surface，at the expense of huge atmospheric CO2，were transferred into Earth’s interior through subduciton zones，which were experienced （ultra）high-temperature metamorphism under water conditions，and subsequently partial melting to form carbonate magmas within Earth’s interior.The new carbonate magmas moved upwards into upper crust，or even at surface，to form carbonatites.Carbon could go back to Earth’s surface.Therefore，the carbon cycling between Earth’s surface and interior was controlled by tectonic movements.Moreover，the longterm varying of atmospheric CO2contents is mainly driven by global tectonic activities.

deep carbon cycling，carbonatite，global tectonic activity，atmospheric CO2content

10.3969／j.issn.0253-9608.2012.04.003

（编辑：沈美芳）