劉 焰

研究員，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，北京100037

深部碳循環(huán)：來自火成碳酸巖的啟示

劉 焰

研究員，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，北京100037

深部碳循環(huán) 火成碳酸巖 地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動 大氣圈CO2濃度

全球碳循環(huán)研究對于理解現(xiàn)今及未來大氣圈CO2濃度及其變化趨勢至關(guān)重要。傳統(tǒng)的碳循環(huán)研究多側(cè)重于探討碳元素在大氣圈、水圈、生物圈等地球表層之間的循環(huán)過程，基本不討論地球內(nèi)部圈層碳元素地球化學(xué)的行為與循環(huán)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的研究方式已很難深刻認(rèn)識大氣圈CO2濃度變化的規(guī)律。探討地球內(nèi)部與表層碳元素雙向交換過程的深部碳循環(huán)研究應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前全球碳循環(huán)研究的主要方向?；鸪商妓釒r主要由碳酸鹽礦物所組成，是地球內(nèi)部碳元素含量最高的巖石，因而成為深部碳循環(huán)研究的主要對象之一。當(dāng)前的研究發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)一部分火成碳酸巖中的碳來自大氣圈的CO2，是再循環(huán)的碳。地表附近消耗大氣CO2所新生成的沉積碳酸鹽巖借助板塊深俯沖作用被帶入地球內(nèi)部，在（超）高溫和含水條件下發(fā)生部分熔融作用，形成碳酸巖漿，后者再上侵形成火成碳酸巖，或者直接噴發(fā)至地表，碳元素又重返地球表層。因此，地球內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動主導(dǎo)碳元素在地球表層與內(nèi)部的循環(huán)過程，進(jìn)而控制大氣圈CO2濃度長周期變化的趨勢。

1 引言

當(dāng)今社會頗為關(guān)注全球地表平均氣溫的變化規(guī)律與過程，其中討論最熱烈的一個議題就是大氣CO2的作用。一個比較流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，大氣圈CO2濃度的快速增加所產(chǎn)生的“溫室效應(yīng)”將給人類的生存與發(fā)展帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此需要限制碳的人為排放量。如何降低人類的碳排放量，已成為當(dāng)今世界各國爭執(zhí)不下的一個“熱點(diǎn)”議題。深入認(rèn)識地球歷史時期大氣圈CO2濃度及其變化規(guī)律無疑是認(rèn)識現(xiàn)今大氣圈CO2濃度及其未來變化規(guī)律的重要基礎(chǔ)。

大量多學(xué)科的研究充分揭示出：中生代大氣圈CO2濃度至少是現(xiàn)今的10倍，新生代以來全球大氣圈CO2濃度呈現(xiàn)明顯的長周期下降趨勢［1－5］。但長期困擾人們的一個問題是：為什么這一時期大氣圈CO2濃度會發(fā)生顯著的下降？大氣圈中巨量的CO2到何處去了［6］？這就需要先了解碳元素的循環(huán)過程才有可能認(rèn)識這一問題。

2 地球系統(tǒng)的碳循環(huán)

地球是一個有機(jī)組成的整體，包括大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈等圈層。碳元素在這些圈層之間的運(yùn)動，稱為碳循環(huán)。其中，將CO2從大氣圈移出，稱之為碳匯，向大氣圈排放CO2，則稱為碳源。地球系統(tǒng)的碳循環(huán)還可按循環(huán)的時間尺度進(jìn)一步分為長周期與短周期，大于100萬年以上的碳循環(huán)為長周期碳循環(huán)。

早期人們多關(guān)注碳元素在地球表層的循環(huán)過程，如碳元素在大氣圈、水圈及生物圈之間的循環(huán)過程，已積累了比較豐富的研究數(shù)據(jù)，例如，發(fā)現(xiàn)海相灰?guī)r的形成將大量消耗大氣CO2（圖1）；發(fā)現(xiàn)造山運(yùn)動可促進(jìn)山脈的隆升，而快速隆升的山脈又將進(jìn)一步誘發(fā)組成山脈的硅酸鹽礦物的化學(xué)風(fēng)化，從而大量消耗大氣CO2［7］，等等。但是，需要指出的是，這種研究模式卻很少考慮碳元素在地球內(nèi)部圈層的循環(huán)過程，因此很難回答“中生代末期以來大氣圈中巨量的CO2到何處去了？”這樣的問題。例如，很早人們就已認(rèn)識到快速隆升的青藏高原，可以促進(jìn)硅酸巖的化學(xué)風(fēng)化、有機(jī)碳的埋藏等作用，從而大幅降低大氣圈中CO2的含量，最終導(dǎo)致長周期的全球變冷［8－9］。硅酸巖的化學(xué)風(fēng)化確實能大幅降低大氣圈中CO2，但這些學(xué)者認(rèn)為化學(xué)風(fēng)化的最終產(chǎn)物，包括HCO3

－等物質(zhì)最終進(jìn)入了海洋。確實，海洋是個大水庫，雖然能夠吸納巨量的大氣CO2，它卻不能無限地容納CO2，它本身還持續(xù)不斷地向大氣圈排放CO2（圖1），即有一部分化學(xué)風(fēng)化所消耗的CO2又重返大氣圈。更重要的是，青藏高原本身還通過火山活動、溫泉、大型斷裂帶、泥火山等多種方式直接向大氣圈排放CO2。因此，若將青藏高原視為一個獨(dú)立的子系統(tǒng)，它到底能凈吸收多少CO2？爭議頗大［10－13］。這些爭論充分反映了傳統(tǒng)的地球表層碳循環(huán)研究方式已不能深刻地認(rèn)識地球歷史時期大氣圈CO2濃度變化的規(guī)律，探討碳元素在地球表層與內(nèi)部的雙向交換過程的深部碳循環(huán)研究因此成為當(dāng)前全球碳循環(huán)過程研究的主要方向。

圖1 海洋與大氣CO2相互作用之簡圖，示意海相灰?guī)r的形成以消耗大氣CO2為代價

由于深部碳循環(huán)為長周期的碳循環(huán)，因此，筆者主要分析長周期碳循環(huán)的具體方式。

2.1 長周期的碳匯過程

2.1.1 硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化

大氣圈中的CO2與水汽結(jié)合，形成碳酸。不需要外界能量，大氣中的碳酸就能與大多數(shù)硅酸鹽礦物進(jìn)行自發(fā)性的化學(xué)反應(yīng)，從而消耗大氣圈中的CO2，并產(chǎn)生新的碳酸鹽礦物。下面為三個常見的化學(xué)反應(yīng)簡式［7］：

2.1.2 沉積碳酸鹽巖的形成

空氣中的CO2與海水、湖水內(nèi)的鈣、鎂等陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成碳酸鹽礦物，并從水體中結(jié)晶出來，然后再經(jīng)歷埋藏、壓實與成巖等過程，最終形成沉積的碳酸鹽巖。此外，水中的生物也需要消耗大氣的CO2，生成其骨骼，生物死亡之后，其骨骼常常與新生的碳酸鹽礦物共同成巖，形成生物碎屑灰?guī)r。圖1簡略地描述了這些過程。

2.1.3 動植物被埋藏成巖

動植物在生長階段，需要消耗大氣圈CO2。例如，植物通過光合作用，將大氣里的CO2轉(zhuǎn)化為糖等有機(jī)物，以滿足自身的生長，即動植物可將大氣的CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳儲存于動植物體中。動植物死亡之后，在盆地內(nèi)被快速埋藏，動植物中的有機(jī)碳可被轉(zhuǎn)化為富含有機(jī)碳的巖石，如煤、石油以及炭質(zhì)頁巖等形式儲存起來，而海洋中的放射蟲等生物則需要消耗大氣CO2，以生成其外殼，放射蟲死亡后，常與水中的硅質(zhì)組分一起成巖，形成放射蟲硅質(zhì)巖（圖1）。

2.1.4 板塊俯沖與匯聚

這是典型的長周期碳匯過程，海洋板塊的俯沖作用以及陸塊的匯聚作用均可將前述地表附近消耗大氣圈CO2所新產(chǎn)生的碳酸鹽巖類巖石、有機(jī)碳等固體物質(zhì)帶入地球內(nèi)部，這是地表碳元素進(jìn)入地球內(nèi)部唯一的方式，因此也是深部碳循環(huán)重點(diǎn)研究的地質(zhì)過程之一。

2.2 長周期的碳源過程

2.2.1 火山噴發(fā)

火山噴發(fā)是地球內(nèi)部向其表層排氣的主要方式，尤其是裂谷帶的火山作用，可以將地球深部的CO2，CH4等氣體直接送入大氣圈內(nèi)。CH4再被氧化成CO2。例如，東非大裂谷就可見碳酸巖漿直接噴出地表。

2.2.2 大型斷裂帶

大型斷裂帶，特別是張性的深大斷裂帶，比如洋中脊，大陸裂谷等地區(qū)，為地球內(nèi)部圈閉的CO2，CH4氣體提供了通向大氣圈的管道。

2.2.3 高溫基性和超基性巖漿的侵位

來自地幔深處的溫度極高、水含量較少的基性、超基性巖漿侵位于大陸地殼內(nèi)，短時間內(nèi)在地殼內(nèi)釋放出大量的熱能，可促進(jìn)其周邊含碳酸根的巖石，如碳酸鹽巖等巖石的熱分解，釋放出CO2，這個過程類似現(xiàn)今“燒石灰”、“水泥生產(chǎn)”的過程。

2.2.4 含碳元素巖石的氧化

煤、石油、碳質(zhì)頁巖等含碳元素的巖石通過構(gòu)造作用抬升至地表附近，與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)形成CO2，這種過程類似于現(xiàn)今煤的燃燒，但反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤的燃燒速率。

2.2.5 溫泉活動

地表附近的溫泉常與大斷裂有成因上的聯(lián)系，熱水可促進(jìn)碳酸鹽類巖石的溶解，將固態(tài)的碳元素轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，再直接排放。

2.2.6 泥火山噴發(fā)

類似于火山噴發(fā)，但不是巖漿噴發(fā)，而是泥漿噴發(fā)，可將地表附近的CO2，CH4等氣體直接排放進(jìn)入大氣圈。

3 火成碳酸巖研究回顧

火成碳酸巖系主要是由碳酸鹽礦物所組成的巖漿巖，是地球內(nèi)部碳元素含量最高的巖石。深入探討此類巖石的起源與演化過程，有助于認(rèn)識地球內(nèi)部碳元素的地球化學(xué)行為，以及碳元素在地球內(nèi)部與表層不同儲庫，如巖石圈與水圈、大氣圈之間的循環(huán)等相關(guān)問題。因此，我們有必要先認(rèn)識火成碳酸巖及其研究歷史。

雖然早在1921年根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查成果提出了火成碳酸巖的概念，認(rèn)為由于堿性巖漿的侵位導(dǎo)致沉積碳酸鹽巖發(fā)生部分熔融作用形成火成碳酸巖，但由于受當(dāng)時實驗條件所限，這一觀點(diǎn)并不被當(dāng)時的人們所接受。那個時代的學(xué)者只能在無水的干體系下開展巖石的部分熔融實驗，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦物須在1 200℃以上的高溫環(huán)境下才有可能發(fā)生部分熔融作用。因此，當(dāng)時許多學(xué)者認(rèn)為，沉積碳酸鹽巖若要發(fā)生部分熔融形成碳酸巖漿，其周圍的巖石早就被熔化了。也就是說，當(dāng)時干體系下的實驗巖石學(xué)研究結(jié)果不支持火成碳酸巖的觀點(diǎn)，以Bowen為代表的著名實驗巖石學(xué)家當(dāng)時強(qiáng)烈地反對巖漿型碳酸巖的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為所有的碳酸巖均為“水成”，這個觀點(diǎn)在那個時代頗為流行［14］。20世紀(jì)50年代，Tuttle發(fā)明了塔特爾儀，這使人們能夠開展含水條件（簡稱為濕體系）下的巖石的部分熔融實驗，實驗巖石學(xué)開始步入新的發(fā)展階段。Tuttle和Bowen合作開展?jié)耋w系下花崗巖成因的實驗巖石學(xué)研究工作，并于1958年發(fā)表經(jīng)典論文《Origin of granite in the light of experimental studies in the system NaAlSi3O8－KAlSi3O8－SiO2－H2O》，極大地促進(jìn)了陸殼重熔產(chǎn)生花崗巖漿（殼源巖漿）理論的發(fā)展［15］，也提升了人們對實驗巖石學(xué)的認(rèn)識。稍后，運(yùn)用塔特爾儀開展了濕體系下沉積碳酸鹽巖部分熔融的實驗，發(fā)現(xiàn)在含水條件下，碳酸鹽礦物在600～700℃，1～2 kbar（1 bar＝100 kPa）下就可以發(fā)生部分熔融作用［16］，表明沉積的碳酸鹽巖確實可以在比較合理的溫壓范圍內(nèi)生成碳酸巖漿，這突破了過去所認(rèn)為的只能在極端條件下才能形成火成碳酸巖漿的觀點(diǎn)［14］。1962年，人們在東非大裂谷的Oldoinyo Lengai地區(qū)發(fā)現(xiàn)了正在噴出的碳酸鹽熔漿，火成碳酸巖的概念才最終被廣為接受。

由于二十世紀(jì)六七十年代所發(fā)現(xiàn)的火成碳酸巖均與堿性超基性巖共生，其地球化學(xué)性質(zhì)，尤其是微量元素與同位素組成特征與沉積的碳酸鹽巖截然不同，卻與幔源巖石有諸多的相似之處。例如，當(dāng)時所發(fā)現(xiàn)的火成碳酸巖以高含量的TiO2，BaO，SrO，P2O5，Nb2O5，REE，U和Th而不同于沉積碳酸鹽巖。因此，盡管那時實驗巖石學(xué)研究已經(jīng)證實變質(zhì)作用完全可以導(dǎo)致沉積的碳酸鹽巖發(fā)生部分熔融作用形成碳酸巖漿［16］，但人們還是放棄這一觀點(diǎn)，轉(zhuǎn)而認(rèn)為火成碳酸巖只起源于地幔，火成碳酸巖應(yīng)該與堿性巖，尤其是與堿性超基性巖共生，應(yīng)該富集稀土、稀有等元素，碳、氧、鍶、釹等同位素組成（或比值）應(yīng)該與幔源巖石一致等等；反之，若不具備這些特征，就認(rèn)為是沉積巖或者變質(zhì)巖，不可能是火成巖，即幔源火成碳酸巖與沉積（變質(zhì)）的碳酸鹽巖之間沒有其他類型的火成碳酸巖的產(chǎn)出［17］。

實驗巖石學(xué)已經(jīng)證實了含碳酸鹽礦物相的地幔巖，如二輝橄欖巖等地幔巖石發(fā)生極低部分熔融（＜1%）作用之后可以生成富含 CO2的原始熔漿［18－26］，但對富含CO2的原始熔漿如何演化、如何最終形成出露于地表的火成碳酸巖，還有不同認(rèn)識，可概括為兩種成因模型。一種成因模型認(rèn)為，地幔巖在有CO2，H2O參與下，在地幔溫壓條件下，發(fā)生極低度部分熔融作用形成富含CO2的硅酸不飽和的硅酸鹽熔體，如類似霞石巖漿成分的混合熔漿。這種混合熔漿先經(jīng)歷廣泛的分離結(jié)晶作用，如橄欖石與白云石的分離結(jié)晶作用之后，殘余巖漿在低壓環(huán)境下，如在地殼中，或者在相對低壓的環(huán)境下再發(fā)生熔體的不混溶作用形成火成碳酸巖與堿性巖。這種成因模型可以很好地解釋大多數(shù)碳酸巖與堿性巖共生、碳酸巖常富集稀土等不相容元素的現(xiàn)象，還可以很好地解釋金伯利巖中出現(xiàn)的富含碳酸鹽球體或獨(dú)立巖脈體［19，27－28］。但是，需要指出的是，實驗巖石學(xué)研究表明，以這種方式所形成的碳酸巖多為方解石碳酸巖，白云石碳酸巖不可能由不混溶作用所形成［24－25］。目前大量的實驗巖石學(xué)研究表明，地幔巖部分熔融所形成的原始碳酸鹽熔體的成分多為白云質(zhì)碳酸巖成分［18，20－23］，因此第二種成因模型則傾向于火成碳酸巖直接來源于地幔巖極低度部分熔融之后所形成的原始白云質(zhì)碳酸鹽熔體［29－30］。原始白云質(zhì)碳酸鹽熔體形成之后，既可直接噴出地表，如產(chǎn)出于贊比亞東南部的白云質(zhì)碳酸熔巖可能就屬這種成因［29］，也可先與地幔圍巖發(fā)生交代反應(yīng)，使原始碳酸鹽熔體逐漸富鈣，同時地幔巖也發(fā)生相應(yīng)的改變，如可按下列反應(yīng)形成方解石：CaMg（CO3）2（白云石熔體）＋ MgSiO3（地幔巖中的斜方輝石）＝ Mg2SiO4（交代的橄欖石）＋CaCO3（新生成的方解石熔體）＋CO2（新生成的流體）［30］。此外，這種原始的白云質(zhì)碳酸鹽熔體還可發(fā)生廣泛的分離結(jié)晶作用導(dǎo)致其殘余巖漿富堿與鈣組分，即方解石碳酸巖來源于原始白云質(zhì)碳酸鹽熔漿。這種成因模型可以比較好地解釋白云石碳酸巖與方解石碳酸巖之間的相互關(guān)系。

4 殼源火成碳酸巖

沉寂多時的“沉積碳酸鹽巖部分熔融生成碳酸巖漿”的觀點(diǎn)又復(fù)活了。1999年Lentz［31］再次從理論上闡述沉積碳酸鹽巖確實可以發(fā)生部分熔融作用生成碳酸巖漿。他把這種碳酸巖稱為殼源火成碳酸巖，而把由地幔巖部分熔融所形成的碳酸巖稱為幔源火成碳酸巖，并指出，今后的一個任務(wù)是如何區(qū)分幔源與殼源火成碳酸巖。2004年趙斌等［32］以大冶鐵礦區(qū)與矽卡巖共生的殼源火成碳酸巖的詳細(xì)研究為基礎(chǔ)，首次詳細(xì)介紹殼源火成碳酸巖的基本特征。2006年Liu等［33］則從野外產(chǎn)狀、巖石學(xué)特征、地球化學(xué)性質(zhì)等角度詳細(xì)論證另一類型殼源碳酸巖的存在，該火成碳酸巖產(chǎn)出于東喜馬拉雅地區(qū)的高壓麻粒巖雜巖之中，系由殼源含碳酸鹽礦物在高溫條件下部分熔融所形成。隨后開展的實驗巖石學(xué)研究進(jìn)一步證實這一觀點(diǎn)：含沉積碳酸鹽礦物的表殼巖石在含水和（超）高溫條件下確實可以發(fā)生碳酸鹽礦物的部分熔融作用形成碳酸巖漿［34］。近來，各地陸續(xù)報道了殼源火成碳酸巖，特別是常在典型陸 陸碰撞造山帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)此類巖石產(chǎn)出，如大青山［35］、西昆侖阿圖什木吉［36］、南墨西哥［37］、也門共和國 Abyan?。?8］等，充分說明這種類型的巖石廣泛出露于自然界內(nèi)。根據(jù)已有的研究成果，筆者進(jìn)一步總結(jié)幔源、殼源火成碳酸巖、大理巖以及沉積碳酸鹽巖的基本特征與鑒別標(biāo)志（表1）。

表1 各類碳酸巖類巖石特征對比表

5 火成碳酸巖中碳的來源

當(dāng)前比較關(guān)注幔源碳酸巖漿中碳的來源。越來越多的證據(jù)表明，有相當(dāng)一部分幔源碳酸巖漿中的碳來自于再循環(huán)地殼表層的碳，地殼中的碳酸鹽礦物以及含水礦物通過深俯沖方式大量地進(jìn)入地幔深處，含水礦物發(fā)生脫水，形成游離的水，進(jìn)一步促進(jìn)地幔巖在含有碳酸鹽礦物的條件下發(fā)生極低度的部分熔融作用形成火成碳酸巖漿［41－44］，其依據(jù)如下：

（1）現(xiàn)在越來越多的巖石學(xué)觀察［45－46］、實驗巖石學(xué)研究［44，47］和數(shù)值 模 擬 研 究 成 果［48］均 表 明，地 殼 表 層 的碳酸鹽巖確實可以深俯沖的方式進(jìn)入地幔深處。

（2）產(chǎn)出于板塊匯聚邊界附近的幔源火成碳酸巖的Sr，Nd與Pb同位素組成與地幔巖石相差較大。例如源自虧損地幔的火成碳酸巖的87Sr／86Sr的初始值一般小于0.706，εNd值多為正值（詳見表1），但產(chǎn)出于板塊匯聚邊界附近的火成碳酸巖的同位素組成卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離上述范圍［41－43，49－50］，卻與 殼 源 大 理 巖 比 較 相 似。 比 較 典 型的實例有：產(chǎn)出于意大利中、南部第四紀(jì)火成碳酸巖［49－50］、西喜馬拉雅造山帶［51］等地的火成碳酸巖的同位素組成、微量元素特征就與殼源大理巖相似，這充分反映板塊匯聚地帶附近的火成碳酸巖中的碳主要來自再循環(huán)地殼表層的碳。

（3）假設(shè)地幔中的碳均為地幔本身的碳，始終沒有地殼表層碳的補(bǔ)給，從太古代至今均有火成碳酸巖的產(chǎn)出，那么從太古代至今地幔碳的含量應(yīng)逐漸減少，即火成碳酸巖漿活動的頻率與規(guī)模應(yīng)從太古代至今顯著降低，但事實正好相反［39，52］，這充分說明地幔的碳受到地殼表層碳源源不斷的補(bǔ)給。

（4）很早就認(rèn)識到地幔，尤其是中下地幔的氧逸度比較低［53－54］，CO2能否長期穩(wěn)定地存在于深部地幔之中，還是一個問題。因此，地殼表層的沉積碳酸鹽巖通過深俯沖的方式進(jìn)入深部地幔是生成一部分幔源火成碳酸巖漿，特別是形成新生代火成碳酸巖漿的一個非常重要的前提條件。

至于殼源火成碳酸巖，其本身就是源自沉積碳酸鹽礦物發(fā)生部分熔融作用之后所形成的巖石，這一類巖石中的碳全部為再循環(huán)的碳。因此，目前的研究發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分的火成碳酸巖中的碳是地表再循環(huán)的碳，與大氣CO2有成因上的聯(lián)系。

6 初步的結(jié)論

前述的分析表明，有相當(dāng)一部分火成碳酸巖的碳來源于大氣中的CO2，是再循環(huán)的碳，那么大氣CO2又是通過哪些過程轉(zhuǎn)化為火成碳酸巖的？

圖1展示了大洋中的海水可將大氣CO2轉(zhuǎn)化為固體碳酸鹽，后者在大洋盆地內(nèi)埋藏、壓實最終可形成海相生物碎屑灰?guī)r。在板塊匯聚地帶，洋殼俯沖、消亡，洋殼之上的海相生物碎屑灰?guī)r也隨之進(jìn)入地球內(nèi)部，在200～300 km的地幔深處，碳酸鹽礦物與地幔巖發(fā)生部分熔融作用，形成碳酸巖漿，然后碳酸巖漿再上侵，或者噴出地表形成火山巖，或者侵位于地殼淺部，意大利中、南部第四紀(jì)火成碳酸巖即為此過程所形成的火成碳酸巖的典型實例。

在陸 陸碰撞造山地區(qū)，最典型的實例就是小印度陸塊與大亞洲陸塊的持續(xù)匯聚，最終導(dǎo)致雄偉的喜馬拉雅山脈和青藏高原的形成（圖2）。組成高聳山脈的硅酸鹽礦物依照前述的化學(xué)反應(yīng)簡式不斷與大氣中的CO2和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，持續(xù)遭受化學(xué)風(fēng)化作用。一方面大量消耗大氣CO2，另一方面，風(fēng)化產(chǎn)物，包括新生的碳酸鹽礦物，則快速堆積在喜馬拉雅山前的盆地內(nèi)，與此同時，消耗大氣CO2所形成的動植物體也被掩埋在同一盆地內(nèi)，共同經(jīng)歷沉積作用，形成富含碳元素的西瓦里克沉積雜巖。然后西瓦里克雜巖再隨俯沖的陸塊進(jìn)入青藏高原深部，在有水和（超）高溫條件下發(fā)生部分熔融作用形成殼源火成碳酸巖漿（圖2），殼源火成碳酸巖漿再上侵就位于藏南地殼內(nèi)。

圖2 印度與亞洲陸塊的匯聚，在此過程中將大氣CO2轉(zhuǎn)換為碳酸巖漿，并儲存于藏南地殼之中

這些過程充分反映碳元素在地球表層與內(nèi)部的循環(huán)過程實質(zhì)上是受控于地球內(nèi)部的構(gòu)造活動，尤其是受控于全球性的板塊運(yùn)動，因此，地球內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動才是大氣圈CO2濃度長周期變化過程的主要驅(qū)動力。

致謝：成文過程中曾與段振豪研究員、劉小漢研究員、王先彬研究員、江博明教授等進(jìn)行過多次討論，不斷啟發(fā)筆者進(jìn)一步思考深部碳循環(huán)過程。成文時承蒙萬天豐教授的鼓勵，在此一并表示衷心的感謝。

（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

（編輯：沈美芳）