上地幔部分熔融控制着地球内部热演化、挥发份输送到大气圈的通量及地幔地球化学与地球物理属性等（Dasgupta et al., 2013）。碳在地球内部以多种形式存在，包括存在于岩浆、流体和矿物晶格中等，与上地幔的熔融行为密切相关（Aiuppa et al., 2021）。固体地球深部的碳元素通过休眠或喷发期的火山脱气作用，主要以二氧化碳的形式释放至地表的大气圈，从而控制着地球内部与表层系统的长时间尺度物质与能量循环，并被认为在形成宜居星球的过程中发挥了重要作用。但是有多少碳储存在地球内部，其对上地幔的熔融过程影响如何等科学问题，一直困扰并阻碍着地球科学家对地球深部碳循环过程与机理的深入理解。
过去几十年，人们尝试用不同的方法获得地球上地幔的碳含量。例如：（1）直接法，即测量幔源岩浆熔体包裹体或者深源金刚石、地幔包体中捕获的二氧化碳；（2）间接法，利用微量元素比值（如CO2/Nb，CO2/Ba等）估算幔源岩浆喷发前后碳含量的变化；（3）实验法，即通过实验室量化在地球内部温压条件下自然岩浆中溶解二氧化碳的最大值估算上地幔碳含量。其中，熔体包裹体的测量方法曾被认为是直接限定上地幔碳含量的有效方法之一，但随着研究的深入发现其在随岩浆上升至地表的过程中存在严重的脱气，特别是对于那些地幔源区本身富含碳的岩浆。例如，形成于洋岛（OIB）和大陆裂谷（CR）等背景下的岩浆，它们对地史时期的气候变化较关键（Foley and Fischer, 2017）；由于岩浆中所含的流体在较深的位置就达到饱和并发生脱气，熔体包裹体的测量往往不能获得原始的碳含量。另外，上述三种方法对地幔碳含量的估算结果也存在数量级的差别，这也限制了人们对地幔中碳含量在垂向（深度）和横向（不同地质背景，如从大洋到大陆）两维空间分布及其熔融行为的深入理解。
图1 火山气体CO2/ST与全岩微量元素Sr/Sm、Sr/Nd比值之间的相关关系（Aiuppa et al., 2021）。由于Sr、Sm与Nd等微量元素具有相似的地幔地球化学行为（如相容性），因此在部分熔融、岩浆分异过程中，其比值基本不发生分异，可以代表岩浆源区的特征
最近，来自意大利的学者采用了一种新方法，利用火山气体中的碳含量获取岩浆及其地幔源区中碳含量的信息，研究成果发表在Nature Geoscience上。文章系统整理了板内和大陆裂谷构造背景下火山气体和火山岩的地化数据，采用的主要参数为高温火山气体（＞450℃）的CO2/ST比值（ST = SO2 + H2S），参数中总硫含量（ST）受岩浆脱气的影响较小，可以利用橄榄石熔体包裹体测试获得。高温火山气体，特别是火山喷发柱及喷气孔的气体，直接来自于岩浆脱气作用，很少受到地表水热系统的脱碳影响；此外，CO2/ST比值与火山岩全岩微量元素比值之间呈现明显的正相关关系（图1），表明其主要受岩浆源区物质组成、而非上升脱气分馏过程的控制。
图2 从大西洋到印度洋的横截面示意图，展示了洋中脊（板块离散边界）、洋岛及大陆裂谷（板内）等典型岩浆的地幔源区碳含量变化特征（Aiuppa et al., 2021）
计算结果显示，岩浆中CO2含量介于0.12-6.20 wt.%之间，明显高于通过熔体包裹体获得的碳含量，证实了岩浆脱气对熔体包裹体碳含量的显著影响；同时碳含量随岩浆碱度的升高而升高，获得的CO2含量与Ba、Nb等微量元素的比值（CO2/Ba、CO2/Nb）均落于地幔的范围内，结合岩浆岩地球化学特征，表明这些岩浆在上升过程中地壳碳酸盐对CO2/ST比值的影响可忽略不计。
研究者进一步利用获得的岩浆碳含量和部分熔融程度重建了全球12个典型热点和裂谷型火山地幔源区中的碳含量（图2）。结果表明，这些OIB、CR型岩浆的地幔源区碳含量变化范围较大，介于100-700 ppm之间，上地幔（200 km以上）平均碳含量约为～350 ppm，明显高于利用洋脊玄武岩得出的结论（20-56 ppm），表明上地幔的碳含量是不均一的，这一新的估算结果将上地幔的总碳量限定在约～1.2 (0.95-1.4) × 1023 g。此外，超深金刚石的研究表明更多的碳被储存在地球深部，自深部上升的碳酸交代的硅酸盐熔体（Carbonated silicate melt）在地史时期不断影响和改变上地幔的物质组成（Dasgupta et al., 2013），这可能也是地幔碳含量不均一的原因。
图3 碳含量与上地幔熔融深度的关系图解（Aiuppa et al., 2021）。洋岛和大陆裂谷的岩浆比洋中脊玄武岩岩浆来源更深，源区碳含量也更高
通过重建岩浆熔融深度，该研究还发现，地幔源区中碳的含量随地幔熔融深度的增加而增加（图3），碳含量高的地幔比含量低的地幔发生部分熔融的位置更深、熔融程度也更高，这一结论表明碳元素在长期的地球动力学演化过程中发挥着重要的驱动作用，也为一些实验岩石学的研究结论提供了直接的观测证据（Dasgupta et al., 2013）。
该研究揭示地球的上地幔比以往所认识的更富集碳，且碳的含量分布不均一，这对地幔中原始碳的储存方式及其时空循环具有重要的启示意义。例如，在洋中脊发现的富碳组分很可能与深部地幔柱来源的熔体侧向迁移有关（图3；Gibson and Richards, 2018）。此外，该研究也有助于理解大火成岩省（LIPs）火山喷发导致的碳循环突变对气候环境的影响，如果地幔柱相关的岩浆源区像该研究所指的那样富碳，那么LIPs导致的地球表层系统碳扰动很可能是显生宙以来全球生物集群灭绝的主要原因之一（Schobben et al., 2019）。
主要参考文献
Aiuppa, A, Casetta ？F, Coltorti M, et al. Carbon concentration increases with depth of melting in Earth’s upper mantle [J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 697–703.（原文链接）
Dasgupta R, Mallik A, Tsuno K, et al. Carbon-dioxide-rich silicate melt in the Earth’s upper mantle [J]. Nature, 2013, 493: 211–215.
Foley S F, Fischer T P. An essential role for continental rifts and lithosphere in the deep carbon cycle [J]. Nature Geoscience, 2017, 10(12): 897–902.
Gibson A A, Richards M A. Delivery of deep-sourced, volatile-rich plume material to the global ridge system [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 499: 205–218.
Schobben M, van de Schootbrugge B, Wignall P B. Interpreting the Carbon Isotope Record of Mass Extinctions [J]. Elements, 2019, 15 (5): 331-337.
（撰稿：赵文斌，郭正府/新生代室）
