碳酸岩中重钾同位素揭示大洋地壳俯冲驱动深部碳循环

时间：2025年6月15日

来源：SCIENCE ADVANCES

编辑推荐：

为解决深部碳循环中地壳碳能否在俯冲带脱挥发分过程中保存并影响深部碳预算这一关键问题，研究人员通过高精度钾同位素分析全球碳酸岩样品，发现其重钾同位素特征继承自地幔源区，证实了大洋地壳俯冲将碳酸盐输送至地幔的机制，为理解地球长期碳循环提供了新证据。

地球的碳循环是维系其宜居性的核心过程，而深部碳循环的关键在于俯冲带能否将地表碳输送至地幔。长期以来，学界对俯冲过程中碳酸盐矿物的命运存在争议：它们可能通过火山弧释放回地表，也可能随俯冲板块进入深部地幔。这一问题的解答直接影响对地球碳收支的评估。碳酸岩作为地幔低度熔融的产物，是研究深部碳循环的理想载体，但其成因与地幔源区组成的关系尚不明确。

为破解这一难题，研究人员对来自全球14个地区的38个碳酸岩样品（年龄跨越20亿年至今）开展了高精度钾（K）同位素分析。通过对比碳酸盐矿物与全岩的δ⁴¹
K值，结合化学淋滤实验和蒙特卡洛模拟，排除了岩浆分异、地壳混染和热液蚀变对同位素组成的干扰，发现部分碳酸岩的δ⁴¹
K值显著高于原始地幔（-0.42±0.08‰），最高达0.17‰。这种重钾同位素特征与蚀变洋壳（AOC）和海水成因碳酸盐的δ⁴¹
K范围重叠，表明其地幔源区存在俯冲洋壳组分。

研究采用三大关键技术：1）选择性化学溶解分离碳酸盐与硅酸盐矿物；2）多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）高精度钾同位素分析；3）基于第一性原理计算的同位素分馏模型和蒙特卡洛模拟，量化不同端元混合比例。

结果部分核心发现：

钾同位素信号来源：碳酸岩中钾主要赋存于碳酸盐矿物（占比>40%），且Δ⁴¹
K_{碳酸盐-全岩}
接近零，证实同位素特征源自地幔源区而非后期过程。
时间分布规律：古元古代（如南非Phalaborwa，2.06 Ga）和新生代（如佛得角）碳酸岩均存在高δ⁴¹
K值，表明从古至今大洋地壳俯冲均可驱动碳循环。
源区物质示踪：蒙特卡洛模拟显示，碳酸岩高δ⁴¹
K需地幔混入10-30%碳酸盐化蚀变洋壳，而沉积物或榴辉岩混入会导致δ⁴¹
K降低。
多同位素印证：南非Phalaborwa碳酸岩兼具高δ⁴¹
K、钙同位素异常及Δ³³
S≠0的硫同位素非质量分馏信号，直接证明其源区含有太古宙蚀变洋壳。

结论与意义：
该研究首次通过钾同位素体系证实碳酸岩的地幔源区存在再循环的碳酸盐化大洋地壳，揭示了俯冲带作为深部碳循环引擎的关键作用。这一发现具有三重突破性：1）从机制上解释了碳酸岩的氧化性岩浆成因，需俯冲碳酸盐对地幔的氧化改造；2）将有效深部碳循环的起始时间推前至太古宙，修正了传统认为前寒武纪热俯冲不利于碳保存的观点；3）为地球长期气候调节（如大气pCO₂
水平）提供了深部碳库的约束。研究发表于《SCIENCE ADVANCES》，为理解板块构造与宜居地球的协同演化提供了同位素地球化学新范式。