劉威 萬博 晏圣超

1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029 2.中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)與行星學(xué)院，北京 100049

前人研究認(rèn)為地質(zhì)時間尺度的地球氣候變化與大氣中的二氧化碳濃度密切相關(guān)，并進(jìn)一步指出二氧化碳濃度長周期(百萬年)的變化主要受控于由地球內(nèi)部固體圈層向外部圈層釋放的碳和硅酸鹽風(fēng)化、生物活動吸收的碳之間的平衡(Berner, 1990)。其中火山作用是內(nèi)部圈層向外部圈層排放碳的一個重要方式，目前每年由火山噴發(fā)釋放的二氧化碳通量約為67Mt/yr(Werneretal., 2019)。除了與噴出巖相關(guān)的火山作用能夠釋放出二氧化碳外，還存在更大體積的侵入巖漿作用。研究發(fā)現(xiàn)侵入巖與噴出巖的體積比例可達(dá)10:1～30:1(Ratschbacheretal., 2019)，與之相關(guān)的脫碳過程也可能產(chǎn)生大量的二氧化碳。隨著對休眠火山、構(gòu)造活動區(qū)域、地?zé)嵯到y(tǒng)碳通量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)與侵入巖有關(guān)的過程可釋放碳高達(dá)155Mt/yr(Werneretal., 2019)，說明除火山噴發(fā)外，與侵入巖有關(guān)的脫碳過程對全球碳通量的貢獻(xiàn)也不容小覷。

雖然火山作用和與侵入巖有關(guān)的過程都能夠產(chǎn)生大量的二氧化碳，其中火山作用直接將氣體排放到了大氣，直接影響大氣中溫室氣體含量的變化；與侵入巖相關(guān)的脫碳過程發(fā)生于地下而且過程復(fù)雜、種類多樣，其脫碳效應(yīng)并不能像火山作用那樣直接有效地將碳排放到大氣中。因此有必要就巖漿侵位中的具體過程和脫碳效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究，探究各種過程的脫碳效應(yīng)。一般來講，巖漿侵位過程中若遇碳酸鹽巖地層能產(chǎn)生矽卡巖化，生成鈣硅酸鹽礦物組合(統(tǒng)稱矽卡巖)，并釋放碳酸鹽中的二氧化碳(Meinertetal., 2005; Changetal., 2019)。由此而產(chǎn)生的一個重要科學(xué)問題是，這些二氧化碳?xì)怏w能否釋放到大氣？如果能，在一個什么時間尺度被釋放出來？最近，學(xué)者已經(jīng)從非火山活動區(qū)，觀測到許多來自殼源碳貢獻(xiàn)的二氧化碳?xì)怏w，并且推測殼源碳是通過矽卡巖化的形式被活化，之后被釋放到了大氣中(Zhangetal., 2016)。但是目前仍不清楚其是通過什么途徑從地下轉(zhuǎn)移到大氣中，并引起大氣中二氧化碳的濃度發(fā)生變化的。

1 陸弧巖漿作用控制地球長期氣候變化

火山作用主要有大火成巖省火山作用、洋中脊火山作用、裂谷火山作用、俯沖帶火山作用。以上四種火山作用具有不同的碳排放特征。大火成巖省火山作用持續(xù)時間短(1～5Myr; Uenzelmann-Neben, 2013)并不能維持長時間穩(wěn)定的氣候環(huán)境。雖然洋中脊火山作用能夠向外生系統(tǒng)釋放巨大的二氧化碳通量，可達(dá)58.1Mt/yr(Le Voyeretal., 2019)，但是洋中脊由于高溫會引起廣泛的水巖相互作用，通過碳酸鹽化蝕變消耗二氧化碳，其消耗的速率可達(dá)154Mt/yr(Kerrick, 2001)。因為在洋中脊處吸收的二氧化碳體量大于排放的體量，整體來講，洋中脊并不能作為一個碳源，不能引起地質(zhì)長時間尺度的氣候變化。裂谷火山作用雖然也能夠釋放出大量二氧化碳，通量可達(dá)183.3～366.7Mt/yr(Leeetal., 2016)，然而裂谷火山作用通常伴隨著巨量的碳酸鹽巖沉淀，因此關(guān)于裂谷火山的實際排碳規(guī)模尚待進(jìn)一步研究(Leeetal., 2019)。

俯沖帶火山根據(jù)俯沖帶上盤板塊性質(zhì)可分為陸弧巖漿作用和島弧巖漿作用。其中陸弧，以南美安第斯、北美科迪勒拉為代表，一般認(rèn)為是由大洋板塊向大陸板塊之下俯沖形成(圖1a)；而島弧，如：今天的馬里亞納，則認(rèn)為是由大洋板塊向另一個大洋板塊俯沖所形成(圖1b)。由于大陸板塊邊緣會累積巨量的碳酸鹽沉積物，陸殼的碳酸鹽沉積物遠(yuǎn)大于(多于10倍)洋殼儲存碳酸鹽，且主要集中在大陸邊緣(Hayes and Waldbauer, 2006)。因此陸弧巖漿在上升過程中會與陸殼儲存的沉積碳酸鹽巖相互作用，產(chǎn)生額外的、來自殼源的二氧化碳。陸弧碳通量(66～539Mt/yr)明顯高于洋內(nèi)島弧碳通量(3.67～110Mt/yr)(圖1a, b; Leeetal., 2019; Lee and Lackey, 2015)。上述觀點得到俯沖帶火山碳通量與碳同位素之間的相關(guān)研究支持(Masonetal., 2017)，如：阿留申島弧碳通量不到4.4×10-6Mt/(yr·km)，而安第斯陸弧碳通量可達(dá)4.4×10-3Mt/(yr·km)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)俯沖帶火山氣體的碳同位素比值(13C/12C)越高，碳通量也越大(Masonetal., 2017)。因為高碳同位素比值的儲庫以大陸碳酸鹽臺地為主，可推測碳通量越高的火山，殼源碳對總碳通量的貢獻(xiàn)越大。因此，全球俯沖帶中陸弧長度和島弧長度的變化，會使得弧火山向大氣排放的二氧化碳發(fā)生顯著的變化。因此，Lee and Lackey(2015)提出陸弧巖漿作用控制著地質(zhì)歷史長期氣候變化的假說。該假說得到了地質(zhì)歷史中陸弧長度和碎屑鋯石隨時間頻率分布的支持(McKenzieetal., 2016; Caoetal., 2017)。比如假設(shè)陸弧巖漿作用強(qiáng)度與碎屑鋯石峰譜正相關(guān)，碎屑鋯石峰譜最高的地質(zhì)歷史時期對應(yīng)著地球顯著的溫室氣候，如：侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)時期的溫室氣候，碎屑鋯石峰譜最低的歷史時期對應(yīng)著地球顯著的冰室氣候，如：石炭紀(jì)-二疊紀(jì)時期的冰室氣候。但是碎屑鋯石峰譜和陸弧長度本身并不能分辨碳主體來自弧火山作用或侵入巖相關(guān)的脫碳作用，由此組成陸弧主體的侵入巖是否直接影響氣候，需要更為細(xì)致的研究，本工作專注于矽卡巖化過程(圖1c)。

圖1 陸弧和陸弧碳通量(a)、島弧和島弧碳通量(b)以及矽卡巖化過程(c)示意圖(據(jù)Lee et al., 2015; Meinert et al., 2005修改)

2 矽卡巖化

一般情況下，矽卡巖化是指在中酸性巖漿與碳酸鹽巖接觸帶上，巖漿熱液與碳酸鹽巖沉積地層通過雙交代作用形成鈣硅酸鹽礦物組合(統(tǒng)稱矽卡巖)，并釋放出二氧化碳的過程(圖1c; Meinertetal., 2005; Changetal., 2019)。其形成深度一般較淺，多發(fā)生在上地殼，矽卡巖化過程溫度多在<300～600℃的范圍內(nèi)(Meinertetal., 2005)。根據(jù)流體鹽度、溫度等特征和矽卡巖礦物組成特征，可以將整個過程分為進(jìn)變質(zhì)和退變質(zhì)兩個階段。進(jìn)變質(zhì)階段以生成石榴子石、輝石等無水鈣硅酸鹽礦物為主，是高溫(>500℃)、高鹽度的(>50%NaCleqv)的巖漿熱液與碳酸鹽巖相互作用，可以簡單看成巖漿熱液提供Si、Fe、Al等元素，灰?guī)r提供Ca，生成石榴子石、輝石等無水鈣硅酸鹽礦物，并釋放出二氧化碳(反應(yīng)式1；Leeetal., 2015)。

CaMg(CO3)2+2SiO2=CaMgSi2O6+2CO2

(1)

退變質(zhì)以生成簾石、閃石等含水硅酸鹽礦物為主，此階段由中低溫(<400℃)、低鹽度(<20%NaCleqv)的流體，改造進(jìn)變質(zhì)階段的無水硅酸鹽礦物產(chǎn)生含水硅酸鹽礦物。此階段幾乎不釋放二氧化碳(反應(yīng)式2；Somarin, 2004)。

3Ca3Fe2Si3O12+6Al(OH)3+3CO2=3CaCO3+3Ca2Al2FeSi3O12(OH)+7.5H2O+O2+Fe3O4

(2)

矽卡巖化是陸弧釋放殼源碳的一個重要方式。而目前通過不同方法對矽卡巖化碳通量的研究都發(fā)現(xiàn)矽卡巖化能夠釋放大量的二氧化碳，如Chuetal.(2019)等通過對岡底斯花崗巖與灰?guī)r地層實際觀測并利用反應(yīng)流體搬運(yùn)模型，計算全球矽卡巖化碳通量為2.64～39.6Mt/yr；Ramosetal.(2020)根據(jù)內(nèi)華達(dá)花崗巖與巖體反應(yīng)的矽卡巖面積分布推算碳通量為27～129Mt/yr?？傊?，其碳通量與洋中脊碳通量(58.1Mt/yr; Le Voyeretal., 2019)在同一數(shù)量級。如果這些碳能夠釋放到大氣，則會引起顯著的二氧化碳濃度變化，從而引起氣候變化。另外，由于矽卡巖化排碳僅僅集中在進(jìn)變質(zhì)階段，目前關(guān)于流體滲透引起雙交代作用的持續(xù)時間從千年到萬年(Johnson and Norton, 1985; Skelton, 2011)。因此，在地質(zhì)時間尺度上，矽卡巖化可以看作是瞬間發(fā)生的“二氧化碳產(chǎn)生”事件。雖然與侵入巖相關(guān)的脫碳過程能夠產(chǎn)生大量的二氧化碳，但其能通過什么途徑排入大氣，從而影響氣候？

3 排碳途徑

由于大多數(shù)的矽卡巖化發(fā)生在上地殼，而地殼淺部以脆性變形為主，很容易因為巖漿的侵入，圍巖而發(fā)生破裂，形成斷層或者微裂隙(Crider and Peacock, 2004)，并且上地殼具有高的孔隙度和滲透率(Kuang and Jiao, 2014)，而高的孔隙度和滲透率又會引起廣泛的天水滲透，從而建立起地下水與地表水的循環(huán)交換系統(tǒng)(圖2)。目前，天水能夠滲透的最大深度約為10km(Diamondetal., 2018)。這些都能夠為矽卡巖化產(chǎn)生的二氧化碳提供逃逸的通道。凡是能夠連通深部與地表的通道和微裂隙都能夠成為矽卡巖化排碳的途徑。

圖2 矽卡巖化作用產(chǎn)生的二氧化碳被排放到大氣中的途徑

3.1 斷層

大多數(shù)的矽卡巖化都發(fā)生在上地殼深度范圍內(nèi)，且地殼淺部以脆性變形為主，伴隨巖漿侵入，圍巖地層則會產(chǎn)生斷層來協(xié)調(diào)巖漿帶來的能量(Mathieuetal., 2008)。斷層是地殼巖石順破裂面發(fā)生明顯位移的一種破裂構(gòu)造。斷層發(fā)育廣泛，是地殼中最重要的構(gòu)造類型。其對地殼機(jī)械性質(zhì)、礦床分布和地殼內(nèi)的流體遷移運(yùn)輸起著重要的控制作用(Faulkneretal., 2010)。其中正斷層可能是主要的流體遷移和運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃驗檎龜鄬佣嗍窃谏煺箲?yīng)力下形成，相比在擠壓應(yīng)力下形成的逆斷層，可能會創(chuàng)造出更大的空間和滲透率更高的地質(zhì)環(huán)境，從而為深部流體的上升提供更優(yōu)質(zhì)的通道(Tamburelloetal., 2018)。例如：Chiodinietal.(2004)通過對在意大利中部和南部進(jìn)行填圖，發(fā)現(xiàn)二氧化碳排放量、地震活動的頻率、該地區(qū)斷層樣式之間具有明顯的相關(guān)關(guān)系。在地震頻發(fā)的地區(qū)主要以逆斷層為主，同時這些地方二氧化碳的排放比較少；但是在幾乎沒有地震的地區(qū)，幾乎都發(fā)育著正斷層，而同時這些地方二氧化碳的排放也相當(dāng)大(Chiodinietal., 2004)。通過正斷層集中的地區(qū)與逆斷層集中的地區(qū)比較研究，發(fā)現(xiàn)正斷層可能是主要的二氧化碳?xì)怏w的上升通道，而逆斷層則可能形成了一個不利于二氧化碳“逃逸”的封閉環(huán)境。在逆斷層發(fā)育的地方，二氧化碳會逐步累積，直到氣體壓力超過圍巖所能承受的臨界壓力，從而引發(fā)地震并釋放出二氧化碳。因此，與伸展作用有關(guān)的正斷層是最有效的流體遷移運(yùn)輸通道，因為其能夠產(chǎn)生滲透率更大的地質(zhì)環(huán)境，以供深部氣體向淺部遷移。

根據(jù)Irwin and Barnes(1980)的工作，發(fā)現(xiàn)在構(gòu)造活動強(qiáng)烈的地區(qū)存在異常大的二氧化碳釋放量。而隨著最近的地震數(shù)據(jù)和二氧化碳排放監(jiān)測點的增加，表明氣體釋放與伸展構(gòu)造區(qū)域存在正相關(guān)性，特別是二氧化碳的釋放與活動的正斷層系統(tǒng)之間存在正相關(guān)關(guān)系(Tamburelloetal., 2018)。以上情況都充分說明構(gòu)造活動為深部氣體的上升提供了通道。構(gòu)造活動強(qiáng)烈的地區(qū)，并發(fā)育伸展構(gòu)造的地區(qū)，由于地殼高的滲透率，以及斷層和連通的孔隙連通了地表和深部，優(yōu)先成為了深部氣體向上遷移并最終釋放到大氣中的通道。例如：在東埃塞俄比亞裂谷區(qū)，直接通過斷層系統(tǒng)釋放到大氣中的二氧化碳可達(dá)70Mt/yr(Leeetal., 2016)。這些裂隙、斷層和高孔隙度的環(huán)境則會為深部氣體的逃逸提供通道(圖2)。在沒有火山活動的騰沖地區(qū)，矽卡巖化的氣體排放到大氣中的一個主要方式即通過斷層釋以及通過高滲透率、高孔隙度的上地殼以擴(kuò)散的形式被釋放到大氣(Zhangetal., 2016)。

3.2 地下水系統(tǒng)和熱泉

矽卡巖化產(chǎn)生的二氧化碳較多的情況是溶解在水中，在周圍熱源的作用下參與到地下水循環(huán)，或者通過斷層或者連通的孔隙實現(xiàn)由地下到地表的遷移，或者通過擴(kuò)散釋放到大氣，或者通過熱泉釋放到大氣(圖2)。

由于二氧化碳在水中具有相對高的溶解度，所以地下水能夠溶解大量的碳，并通過連通的裂隙搬運(yùn)這些含碳流體達(dá)到地表，之后通過擴(kuò)散將之釋放到大氣中。意大利亞平寧地區(qū)東部12500km2的地下水系統(tǒng)，每年可溶解無機(jī)碳0.78Mt/yr，其中36%來自碳酸鹽溶解，41%來自深部地幔，26%來自生物交換。而這些碳最終會被帶到地表，通過擴(kuò)散釋放到大氣中(Chiodinietal., 2000)。

熱泉大多發(fā)生在火山附近，是地?zé)峄顒拥闹苯颖憩F(xiàn)。當(dāng)?shù)叵滤艿綆r漿房或者圍巖的加熱，沿著巖石微裂隙，或者斷層再循環(huán)到地表則會形成熱泉。目前已經(jīng)在世界多地的熱泉中監(jiān)測到大量的二氧化碳釋放，如：環(huán)太平洋地區(qū)的巖漿弧和弧后盆地的熱液系統(tǒng)可釋放出與目前全球洋中脊碳通量在同一數(shù)量級的二氧化碳通量，可達(dá)44Mt/yr(Seward and Kerrick, 1996)。由此可見熱液系統(tǒng)也是一個重要的深部碳釋放到大氣中的途徑。同理，當(dāng)矽卡巖化釋放的二氧化碳被地下水吸收，如：騰沖地區(qū)的地下水吸收了深部矽卡巖化釋放的二氧化碳(Zhangetal., 2016)，接著之后被加熱，通過裂隙或者斷層或者聯(lián)通的孔隙，形成熱泉，最終通過熱泉被釋放到大氣中；在喜馬拉雅地區(qū)通過熱泉釋放的深部變質(zhì)二氧化碳可達(dá)40Mt/yr，相當(dāng)于地球構(gòu)造去氣總量的13%(Beckeretal., 2008)。

3.3 火山通道

火山通道也能夠成為矽卡巖化產(chǎn)生的二氧化碳排放到大氣中的途徑(圖2)。火山通道是指巖漿從巖漿房穿過地下巖層經(jīng)火山口噴發(fā)到地面的通道；是在不同地質(zhì)條件下，被不同成分和成因的巖石所充填的垂直管狀通道；是巖漿由地下到地表的最后一個環(huán)節(jié)。早于矽卡巖化事件發(fā)生的火山作用形成的火山通道也能夠成為矽卡巖化排碳的途徑。目前在大多數(shù)火山的噴發(fā)物中都發(fā)現(xiàn)了鈣硅酸鹽礦物，如：意大利的埃特納火山、蘇維蘇火山，印度尼西亞默拉皮火山，和智利的拉斯卡火山等。表明這些火山下面發(fā)生了矽卡巖化，而矽卡巖化產(chǎn)生的二氧化碳加入到火山噴發(fā)氣體中則可以通過高的碳同位素比值指示。2006年印度尼西亞默拉皮火山的噴發(fā)，由于有殼源碳通過矽卡巖化的形式被釋放，所以監(jiān)測到的火山氣體的碳同位素比值相對于之前的噴發(fā)升高了1.7‰，從-4.1‰升高到-2.4‰(Trolletal., 2012)。即說明矽卡巖化產(chǎn)生的鈣硅酸鹽和二氧化碳?xì)怏w通過火山通道被排放到地表和大氣中。

不僅火山下面發(fā)生的矽卡巖化所產(chǎn)生的氣體可能會通過火山通道被釋放，發(fā)生在淺部的矽卡巖礦化所產(chǎn)生的二氧化碳也有可能會通過同期的火山通道被釋放。與鈣堿性系列斑狀淺成侵入體有關(guān)的矽卡巖銅礦，常常會伴生同期的次火山巖和火山巖的發(fā)育，以及脆性破裂和角礫的發(fā)育(Meinertetal., 2005)，這些噴出地表的火山巖和連通到地表的微裂隙、破碎帶，則會成為二氧化碳?xì)怏w或者含碳流體的遷移通道，使之排放到大氣中。中國云南紅山的矽卡巖銅礦，就存在與成礦侵入體同期的火山巖，二者均形成于216Ma(Zuetal., 2015)。

3.4 矽卡巖礦化所產(chǎn)生的隱爆角礫巖筒

隱爆角礫巖主要形成在中酸性斑巖體的頂部；是由含揮發(fā)份的熱液進(jìn)入巖漿頂部破碎帶裂隙中后受阻，含揮發(fā)份的熱液聚集、增壓，壓力超過圍巖壓力臨界點時發(fā)生隱爆作用；是在近地表超淺成、封閉條件下隱蔽爆破作用形成的角礫狀碎屑巖類。由隱爆角礫巖組成的整體稱為隱爆角礫巖筒。該巖石具有孔隙度大和高裂隙度的特點，有利于熱液和氣體的活動與轉(zhuǎn)移，是重要的控礦和容礦構(gòu)造(蔣禺恒, 2020)。

除了巖漿本身因為冷卻結(jié)晶析出的揮發(fā)份會引起氣體與圍巖之間的壓力差增大外，在矽卡巖化的過程中也會集中釋放大量二氧化碳，瞬間脈沖式的釋放會進(jìn)一步導(dǎo)致局部壓力升高，使得其超過圍巖所能承受的極限壓力，從而使得隱爆角礫巖的形成過程更劇烈。因此相比一般的隱爆角礫巖筒，與矽卡巖有關(guān)的隱爆角礫巖可能具有更高的孔隙度。而這種高的孔隙度和滲透率的發(fā)育則會成為二氧化碳逃逸的通道(圖2)。而形成深度較淺的矽卡巖Cu-Au礦床，隱爆角礫巖更為普遍發(fā)育。銅官山矽卡巖Cu-Au礦床發(fā)育廣泛的隱爆角礫巖，成為流體運(yùn)移的通道(Dengetal., 2011)。

3.5 多期次的巖漿熱液活動

侵入巖與碳酸鹽圍巖相互作用的同一個地方在短時間內(nèi)發(fā)生多期次的巖漿、熱液活動會反復(fù)的釋放殼源的碳，從而達(dá)到更充分的向大氣中釋放殼源二氧化碳的作用。

矽卡巖礦床是典型的巖漿熱液型礦床，屬于斑巖成礦系統(tǒng)。巖漿熱液礦床的演化過程，往往在短時間內(nèi)存在多期次的巖漿熱液活動。西藏驅(qū)龍斑巖礦床，在礦化前后不到數(shù)十萬年的時間范圍內(nèi)，存在三次短時間(萬年尺度)的熱液活動(Lietal., 2017)，每一次都存在巖漿流體的加入。同理，同屬于斑巖系統(tǒng)的矽卡巖礦床在矽卡巖礦化過程中，也會存在這種短時間內(nèi)多期次的熱液活動(Shuetal., 2013)。這種短時間內(nèi)密集的流體活動能夠引起多次的巖漿熱液與碳酸鹽巖的相互作用，從而有效反復(fù)的釋放殼源二氧化碳，釋放的二氧化碳可以直接通過斷層系統(tǒng)排放到大氣中，或者溶解在流體中參與到地下水的循環(huán)并通過斷層或者高滲透率的地層釋放到大氣中。

除了短時間內(nèi)，多期次熱液活動能夠有效的釋放矽卡巖化產(chǎn)生的二氧化碳外，稍晚于礦化的巖脈和次火山巖的發(fā)育，通過提供接近地表的通道，以及與碳酸鹽巖進(jìn)一步相互作用，從而釋放碳酸鹽巖中的二氧化碳，也能夠起到有效釋放矽卡巖化產(chǎn)生的二氧化碳的作用。產(chǎn)生的二氧化碳能夠與次火山巖一起到達(dá)更接近地表的地方，通過擴(kuò)散的形式被釋放到大氣中，或者溶解在地下水中，最后從地下水系統(tǒng)中被釋放到大氣中。

4 對氣候的影響

矽卡巖化釋放二氧化碳的主要的通道主要包括：斷層、地下水系統(tǒng)和熱泉、火山通道、高滲透率、高孔隙度的角礫巖筒、高頻率的巖漿熱液活動，說明發(fā)生在地下的矽卡巖化所產(chǎn)生的二氧化碳是能夠被釋放到大氣中的。根據(jù)前人的研究，矽卡巖化進(jìn)變質(zhì)的持續(xù)時間從千年到萬年(Johnson and Norton, 1985; Skelton, 2011)，矽卡巖化產(chǎn)生二氧化碳的時間尺度應(yīng)該也近似于該尺度，但從產(chǎn)生到釋放到地表又是在什么樣的時間尺度？這里我們?nèi)∫粋€深度最深的情況，10km，一般是矽卡巖鎢礦的形成深度，假設(shè)流體上升的速度為1m/s(Bons, 2001)，則從10km的深度上升到地表，釋放二氧化碳僅僅需要2～3小時。可以近似認(rèn)為矽卡巖化產(chǎn)生二氧化碳的排放是瞬時的，其對氣候的影響也是瞬時的。但是矽卡巖化產(chǎn)生的二氧化碳釋放到大氣中，能夠?qū)夂蛞鸲啻蟮挠绊?？其碳通量能夠和現(xiàn)代地球上的什么地質(zhì)體的碳通量相比較？

由于目前關(guān)于陸弧巖漿與碳酸鹽巖相互作用釋放碳通量的定量研究僅僅集中在接觸變質(zhì)以及巖漿同化吸收碳酸鹽巖等兩種作用，其碳通量分別為2.64～130Mt/yr和29～143Mt/yr(Chuetal., 2019; Ramosetal., 2020)。而關(guān)于廣泛流體作用參與的矽卡巖礦化碳通量缺少定量的研究。另外，單個矽卡巖礦在實際規(guī)模上與火山類似，為直觀了解矽卡巖礦化對氣候的影響，進(jìn)一步估算單次流體作用矽卡巖化碳通量。我們選取已經(jīng)有豐富資料積累的柿竹園矽卡巖鎢礦床來進(jìn)行簡單定量計算。柿竹園礦床由侏羅紀(jì)巖體侵入泥盆紀(jì)碳酸鹽地層形成，處于南嶺地區(qū)中部，開采于20世紀(jì)80年代，資源量巨大，其中W的金屬量為80萬t，其中2/3是矽卡巖型白鎢礦，76Mt的瑩石(吳勝華等, 2016; Mao and Li, 1995; Maoetal., 1996)。選取矽卡巖鎢礦床的最主要原因是白鎢礦僅僅形成在與碳酸鹽巖有關(guān)的矽卡巖中，鎢全部來自巖體，鎢酸根離子替代碳酸根離子(反應(yīng)式3)形成白鎢礦并釋放二氧化碳(梁祥濟(jì), 1996)，因此物質(zhì)交換相對明確。

Na2WO4+CaCO3+H2O=CaWO4+2NaOH+CO2

(3)

伴隨1mol CaWO4的沉淀，整個過程也會釋放1mol CO2。根據(jù)該礦床白鎢礦的金屬噸位，我們計算得到將會有0.12Mt CO2在沉淀白鎢礦的過程中被釋放。

除了生成白鎢礦的過程中會釋放二氧化碳外，在矽卡巖進(jìn)變質(zhì)階段，生成石榴子石、輝石的過程中也會釋放二氧化碳(如：反應(yīng)式1)。根據(jù)該礦床野外矽卡巖蝕變帶分布，該矽卡巖蝕變體的大小為長1200m、寬500m、高300m。計算可得蝕變體大小約為1.8×108m3，假設(shè)碳酸鹽巖轉(zhuǎn)換為矽卡巖后，體積幾乎未發(fā)生變化(Lindgren, 1924)，則發(fā)生反應(yīng)的碳酸鹽巖體積則與矽卡巖蝕變體的體積相同，根據(jù)灰?guī)r密度2.4×103kg/m3，計算得出反應(yīng)消耗的灰?guī)r為432Mt，則矽卡巖化過程釋放二氧化碳約為200Mt。矽卡巖化的時間從千年到萬年(Johnson and Norton, 1985; Skelton, 2011)，則柿竹園矽卡巖鎢礦化事件的碳通量可達(dá)0.2～0.02Mt/yr。而今天地球上大多數(shù)火山的碳通量都不到0.5Mt/yr(Werneretal., 2019)。單個矽卡巖礦床由于矽卡巖化排放碳通量與冰島、默拉皮火山的碳通量相當(dāng)，但遠(yuǎn)小于埃特納火山(圖3)。從碳通量上講，矽卡巖礦床廣泛發(fā)育時期對氣候的影響應(yīng)該與火山對氣候的影響類似。

圖3 柿竹園矽卡巖化事件碳通量與現(xiàn)代火山碳通量比較

5 結(jié)論

矽卡巖化作為陸弧演化過程中將殼源碳活化的一個重要方式，其產(chǎn)生的二氧化碳可以通過斷層(主要是與伸展作用有關(guān)的正斷層)、地下水系統(tǒng)和熱泉、火山通道、隱爆角礫巖筒和高頻率的巖漿熱液作用等五種方式“瞬時地”被排放到大氣中。我們通過計算單個矽卡巖礦床的碳通量來說明它對氣候的影響，發(fā)現(xiàn)單個礦床的碳通量與現(xiàn)代地球默拉皮、冰島火山的碳通量在同一量級。因此，本文認(rèn)為矽卡巖礦化作用對氣候的影響在未來的研究中需要進(jìn)一步定量研究。

致謝感謝兩位審稿人對本文提出諸多建設(shè)性意見；感謝張茂亮副教授在文章寫作的幫助；感謝初旭和唐銘老師在矽卡巖碳通量研究主題中的幫助。