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海洋国家实验室研究人员论证上地幔底部存在一个碳酸岩化地幔橄榄岩层
来源:海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室    2017-08-28 11:25:58

碳是地球上最重要的元素之一,是生命的核心元素,并且控制、影响着气候变迁和岩浆活动。地球上的碳主要存储在地幔中。传统上认为,碳在地幔中主要是以金刚石、石墨和碳化硅等还原态存在。

近期,海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室、中国科学院海洋研究所深海中心孙卫东研究员与中国科学技术大学地球科学和空间科学学院吴忠庆教授领导的团队,通过多学科联合攻关,论证了在上地幔底部存在一层“碳酸岩化的地幔橄榄岩”。该碳酸岩化层是地球上气候剧烈波动和生物大规模灭绝的策源地。本文日前在线发表于Chemical Geology上,此研究成果受国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”(2016YFC0600408)和中科院先导专项(XDB18020000)等项目联合资助。

目前,地学界普遍认为地幔的氧逸度随着深度的增加而降低;在地幔深部,碳主要是以金刚石和碳化硅的形式存在。但是,观察表明,地幔柱岩浆中的二氧化碳含量远高于洋中脊玄武岩的二氧化碳含量。由于地幔柱岩浆来源深度远高于洋中脊玄武岩,按照现有观点,在地幔柱源区碳主要以还原态形式赋存。要形成高的二氧化碳含量,需要通过氧化还原反应,把金刚石等氧化为二氧化碳,即所谓的Redox melting。这个过程要消耗三价铁。但是,地幔柱岩浆中的三价铁却高于洋中脊。这与传统的认识产生了很大矛盾。唯一可能的解释是在地幔深处存在碳酸岩化的地幔橄榄岩层。

孙卫东研究员等提出,在岩浆海阶段,金刚石在密度驱动下,聚集在上地幔底部,在板块运动开始后,这些金刚石逐渐被氧化为碳酸岩,形成了一层碳酸岩化的地幔橄榄岩层,控制着大火成岩省等深源岩浆中的二氧化碳含量,对气候的变迁起到阶段性的作用。


111.jpg

金刚石在浅部比熔体密度高,在深部比熔体密度低。在密度的驱动下会在600-660公里深度富集。

同时PREM模型显示600-660公里处密度、波速梯度异常。


这一模型不仅可以解释地幔柱岩浆中高的二氧化碳含量,还可以解释金伯利岩与地幔柱的对应关系等地球科学新进展。正是这个碳酸岩化的地幔橄榄岩层的存在,致使大火成岩省可以释放大量的二氧化碳,对地球的环境有更大的影响。

 

论文信息:Sun, W.D., Hawkesworth,C.J., Yao, C., Zhang, C.C., Huang, R.F., Liu, X., Sun, X.L., Ireland, T., Song,M.S., Ling, M.X. and Ding, X., 2017. Carbonated mantle domains at the base of the Earth's transition zone. Chemical Geology

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.08.001

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