南海马尼拉俯冲带中的碳和氮输入通量及其循环效率：对全球俯冲带中挥发性物质循环的启示

南中国海（SCS）及马尼拉俯冲带玄武岩和沉积物的碳（C）与氮（N）浓度及同位素分析表明，边缘海俯冲带具有更高的单位输入通量（C:7.12–7.60×10^7 mol·yr^-1·km^-1；N:3.06–4.46×10^6 mol·yr^-1·km^-1）和更低的再循环效率（C:22.7%–24.2%；N:8.3%–21.2%），提示边缘海系统对全球挥发物循环的贡献。

孙立恒|黄新婷|张云英|李侃|马飞|王振腾|孙振|黄瑞芳

中国海洋大学海洋地球科学学院，教育部深海多圈层与地球系统科学前沿中心，海底地质科学与勘探技术重点实验室，青岛266100，中国

摘要

新特提斯构造域作为中生代以来最广泛的汇聚系统，显著控制了从中生代到新生代的全球挥发性物质循环和大气中二氧化碳（pCO₂）的变化。新特提斯洋闭合后，开阔海域的俯冲带被认为主导了当时的挥发性物质循环，从而削弱了新特提斯洋的这一作用。然而，在新特提斯洋闭合过程中形成的许多边缘海（如南海）和俯冲带（如马尼拉俯冲带）具有独特的岩石构造特征，这表明这些边缘海的挥发性物质循环可能与传统的开阔海域模型有所不同。在本研究中，我们报告了从南海IODP U1431、U1433和U1503站点采集的玄武岩和沉积物中的碳（C）和氮（N）浓度及其同位素组成。与开阔海域相比，南海沉积物中的碳（0.03–9.27 wt%；δ¹³C：−24.1‰–+2.3‰）和氮（57–944 ppm；δ¹⁵N：−1.2‰–+6.4‰）富集，这些碳和氮主要来源于陆地有机物。南海玄武岩中的碳浓度（112–1355 ppm）与全球年轻的海洋地壳相当，而较低的δ¹³C值（−28.1‰–−12.2‰）表明其中的碳来源于上覆沉积物。结合已发表的氮数据，我们的新研究表明，马尼拉俯冲带的单位输入通量（碳：7.12–7.60 × 10⁷ mol·yr⁻¹·km⁻¹；氮：3.06–4.46 × 10⁶ mol·yr⁻¹·km⁻¹）高于开阔海域系统，但其循环效率（碳：22.7%–24.2%；氮：8.3%–21.2%）较低。以南海为参考，我们还估计新特提斯构造域中的边缘海俯冲带的单位输入通量（碳：6.25–6.46 × 10⁷ mol·yr⁻¹·km⁻¹；氮：2.48–3.18 × 10⁶ mol·yr⁻¹·km⁻¹）也较高。这些结果表明，在新特提斯洋闭合过程中形成的边缘海和俯冲带在挥发性物质输入方面更为高效。这些边缘海系统与开阔海域俯冲带共同主导了当时的全球挥发性物质循环，尤其是在碳和氮方面。

引言

作为主要的大气挥发性物质，碳（C）和氮（N）在地球表面和岩石圈之间的循环直接控制着大气中的二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）浓度，从而调节长期气候演变（Bebout等人，2018；Kelemen和Manning，2015）。与板块俯冲相关的汇聚过程是将地表挥发性物质输送到地球深处的主要机制（Kelemen和Manning，2015；Li等人，2020；Li和Li，2022；Shen等人，2023），因此对于理解全球挥发性物质循环至关重要。

新特提斯构造域作为中生代以来最典型的汇聚系统，在理解深层物质循环（例如挥发性物质）方面具有典范意义（van Hinsbergen等人，2012；Handy等人，2015；Xiao等人，2017；Zhu等人，2022）。多学科研究表明，在新特提斯洋闭合期间，俯冲的碳通量与大气中二氧化碳（pCO₂）的变化之间存在强烈的同步性（Van Der Meer等人，2014；Shen等人，2023；Hu，2023）。这种相关性突显了新特提斯俯冲、弧火山活动和弧-大陆碰撞在调节二氧化碳循环和气候中的关键作用（Hu，2023；Shen等人，2023）。特别是，富含碳的沉积物的俯冲以及随后通过弧火山作用释放出的二氧化碳（CO₂）和/或甲烷（CH₄）（Ague和Nicolescu，2014；Plank，2014；Hoareau等人，2015；Guo等人，2021）为新生代早期（60–50 Ma）大气温度升高和二氧化碳浓度激增提供了合理的解释（Hansen等人，2013；Hoareau等人，2015）。

随着新特提斯洋的闭合和随后的大陆-大陆碰撞（约50 Ma），该地区的大规模俯冲活动终止，从而结束了其在晚白垩世到早古新世期间对挥发性物质循环和气候调节的控制（Shen等人，2023）。目前认为，开阔海域俯冲带（如太平洋和印度洋）的挥发性物质循环模型主导了当时的全球挥发性物质循环和大气演化（例如，Plank和Manning，2019；Dutkiewicz等人，2019；Li等人，2020；Li和Li，2023a，Li和Li，2023b）。现代俯冲带的碳循环效率范围很广（通过弧火山作用返回大气的俯冲碳的比例约为36%至85%；Cook-Kollars等人，2014；Kelemen和Manning，2015；Plank和Manning，2019；Epstein等人，2021），某些弧（如中北小安的列斯群岛）甚至实现了碳平衡（100%；Li等人，2020）。对于氮的循环，无论俯冲带中的地热梯度、氧气分压（fO₂）和流体pH值如何，超过50%的俯冲氮被认为被带到俯冲带以下深度，而不是通过弧火山作用释放（Mikhail等人，2017；Li和Li，2022）。

除了开阔海域的俯冲系统外，许多边缘海盆地（如南海）及其相关的俯冲带（如马尼拉俯冲带）也沿着新特提斯洋闭合期间的古缝合带形成（图1；Sun，2016；Sun等人，2018；Zhu等人，2022）。由于特殊的构造位置（靠近大陆边缘且构造活动强烈），这些边缘海盆地和俯冲带具有独特的岩石构造特征（Shipboard Scientific Party，1990a，Shipboard Scientific Party，1990b；Shipboard Scientific Party，2015，Shipboard Scientific Party，2015c，Shipboard Scientific Party，2018，Shipboard Scientific Party，2020；Sun等人，2018；Zhu等人，2022），包括：（1）富含粘土和钙质的沉积物（控制了进入板块的碳和氮的组成）；（2）复杂的热结构导致空间和时间上变化的变质梯度，这对挥发性物质（如二氧化碳和氮）的释放深度、范围和效率有重要影响；（3）多阶段的流体-岩石相互作用促进了海洋地壳中的改变程度和挥发性物质含量。尽管这些边缘海仅占全球俯冲带长度的约9%，但它们的独特特征使它们成为研究边缘海俯冲带内挥发性物质循环及其对全球挥发性物质循环更广泛影响的天然实验室。然而，现有研究完全忽略了这些边缘海在新特提斯构造域中对当时全球挥发性物质循环和气候演化的影响。

南海是新特提斯洋最终闭合期间形成的最大残留盆地，经历了海底扩张和板块俯冲（Briais等人，1993；Li等人，2014a；Lallemand等人，2001；Fan等人，2015；Shao等人，2015）。地球物理和地球化学研究表明，南海和马尼拉俯冲带构成了物质输入、迁移和返回的整个链（Lai等人，2017；Deng等人，2020；Liu等人，2020，Liu等人，2023），是探索边缘海挥发性物质循环的理想目标。对南海和马尼拉俯冲带中碳和氮循环的系统性研究不仅将阐明这一独特汇聚边缘的挥发性物质循环，也是解码新特提斯构造域内从地表到深部物质交换不可或缺的组成部分。

在本研究中，我们从南海的多个综合海洋钻探计划（IODP）站点选择了玄武岩和沉积物样本，从最古老的（U1503站点）到最年轻的海洋地壳（U1431E和U1433B站点）（图1；Shipboard Scientific Party，2015，Shipboard Scientific Party，2018，Shipboard Scientific Party，2020），以分析碳和氮的浓度及其同位素组成。这些结果有望填补关于新特提斯时期挥发性物质循环在时间尺度和挥发性物质种类方面的知识空白。

地质背景

南海是全球最大的边缘海之一，其形成与新特提斯洋的消亡密切相关（Lee和Lawver，1995；Morley，2002；Hall，2002；Sun等人，2018）。首先，原南海地区的俯冲和拖拽作用驱动了南海大陆边缘的裂解，最终形成了海洋地壳（约32 Ma；Holloway，1982；Taylor和Hayes，1983；Wu和Suppe，2018；Wang等人，2025）。同时，印度-欧亚大陆的碰撞导致了...

方法

共分析了来自U1431站点的31个样本（23个沉积物和8个玄武岩）、U1433站点的29个样本（21个沉积物和8个玄武岩）以及U1503站点的30个样本（20个沉积物和10个玄武岩），测定了全岩碳（C）和氮（N）的浓度及其同位素组成（玄武岩除外）。

碳浓度和同位素组成

U1431站点的沉积物中碳浓度范围为0.03%至6.55 wt%（平均值：1.02 ± 1.47 wt%；n = 23），δ¹³C值范围广泛，从−22.8‰到+0.5‰（平均值：−8.7‰ ± 7.9‰；n = 23）。沉积物中的碳浓度和δ¹³C值呈现出向井下递减的趋势（图2a）。U1431站点的玄武岩中碳浓度范围为149 ppm至853 ppm（平均值：475 ± 265 ppm；n = 8），δ¹³C值较低，范围从−28.1‰到−12.5‰

南海沉积物和玄武岩中的碳和氮来源

（1）沉积物。

样品的δ¹³C值是区分碳来源的关键指标（有机碳：−35‰至−8‰；海洋碳酸盐：0‰至+2‰；地幔：−5‰至−7‰；热液或变质作用：−10‰至+5‰；Hoefs，2021）。南海沉积物的δ¹³C值范围为−24.1‰至+2.3‰（补充表S1），反映了多源起源（图2）。具体来说，南海沉积物的δ¹³C值主要集中在−5.0‰至−24.1‰之间，某些样本（例如底部...

结论

系统地测试了南海玄武岩和沉积物（IODP U1431、U1433和U1503站点）中的碳（C）和氮（N）浓度及其同位素组成。这些南海沉积物表现出富集的碳（0.03–9.27 wt%）和氮（57–944 ppm）浓度，而南海玄武岩的碳浓度（112–1355 ppm）与全球年轻的海洋地壳相当。沉积物中富集的碳（−24.1‰至+2.3‰）和氮（−1.2‰至+6.4‰）主要来源于陆地有机物，同时也有少量来自...

CRediT作者贡献声明

孙立恒：撰写——初稿、方法论、调查、数据管理、概念化。黄新婷：撰写——初稿、方法论、正式分析、数据管理。张云英：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。李侃：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理。马飞：撰写——初稿、方法论。王振腾：方法论、调查、数据管理。孙振：撰写——审稿与编辑、资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢IODP第349次和第368×次考察队的全体船员和科学工作人员的辛勤工作。感谢IODP提供用于本研究的珍贵岩芯样本。感谢中国科学院南海海洋研究所的S.H. Dai在碳和氮浓度及同位素实验方面的帮助。感谢Sun Jimin教授在编辑方面的支持。Sami Mikhail博士和一位匿名审稿人的建设性评论极大地改进了本文的质量