当今世界的气候变化很大程度上取决于大气二氧化碳（CO2）浓度。尽管人类活动已被证实可显著增加CO2排放，但在更长的地质时间尺度上，大气中CO2的浓度变化则受控于地球自身的演化。地球通过火山喷发脱气作用向空气中排放CO2，这样的地质“碳源”（carbon source）包括大陆裂谷、洋中脊、大火成岩省和俯冲带火山弧；而海底碳酸盐矿物沉淀以及大陆硅酸盐风化等过程则会导致碳吸收和固定，成为地质“碳汇”（carbon sink）——在百万年尺度上，地球的净碳排放通量主要受控于这些碳源和碳汇的调节。目前，不同碳源和碳汇对全球碳收支的相对影响尚存在较大争议，不同的过程可在特定时期占据主导地位。
大洋中脊全长约6万公里，孕育了地球上90%的火山作用，每年可向海洋和大气排放0.47-2.09 × 1012摩尔碳（Le Voyer et al., 2019）。长期以来，洋中脊作为地质碳源的认识已深入人心，它通过大洋中脊玄武岩（MORB）的喷发脱气作用排放CO2从而深刻影响着全球净碳通量。洋中脊火山活动的碳源效应较为稳定，但随着全球洋中脊长度和海底扩张速率的波动也可对特定时期的大气CO2排放施加重要影响，进而作用于全球气候变化（Müller and Dutkiewicz, 2018）。但是，洋中脊不仅是一个重要的碳源，它也可以发挥一定程度的碳汇作用。这是因为，海底热液循环造成洋壳蚀变，热液中溶解的碳随着温度降低发生沉淀，导致CO2以碳酸盐脉的形式被固定在蚀变洋壳中（Alt and Teagle, 1999）。这样的碳吸收过程对于洋中脊表层碳通量的影响还存在很大争议，特别是当海底热液活动强烈、碳酸盐化作用非常发育的情况下，洋中脊究竟是碳源还是碳汇尚缺乏定量约束。
近日，国际大洋发现计划（IODP）390航次科学家在Nature Geoscience发表了一项研究成果，指出慢速扩张洋中脊广泛存在的“坡积角砾岩”（talus breccias）中可发育大量碳酸盐沉淀，从而导致显著的碳吸收，有潜力成为一个重要的地质碳汇（Coggon et al., 2025）。依托横穿南大西洋的系列航次，研究团队获得了大西洋中脊南纬31º西侧7-61百万年的古老洋壳钻孔样品，结果发现大量碳酸盐胶结而成的洋壳角砾岩，角砾包括不同程度蚀变的玄武岩和深海沉积物等（图1，图2）。通过对不同类型角砾和碳酸盐胶结物的碳含量分析，研究团队计算的钻孔岩芯样品的平均CO2含量为7.5 wt.%，是目前对蚀变洋壳碳含量的最高估计（图3）。通过建立几何模型，研究团队进一步估算了这些坡积角砾岩的厚度和规模，进而获得其碳吸收通量。这一碳吸收通量甚至可抵消该区火山活动的碳释放通量，从而达到净碳平衡。研究团队认为，洋中脊的碳吸收通量很大程度上受控于扩张速率导致的洋壳结构变化。不同于快速扩张脊相对稳定、均匀的洋壳结构，慢速扩张脊以发育拆离断层、高角度正断层为特征，可形成大量同构造成因的坡积角砾岩沉积。通过海底热液沿断层的导入和循环以及碳酸盐矿物的沉淀和胶结，这些坡积角砾岩可实现可观的碳吸收，成为重要的地质碳汇。
图1 IODP横穿南大西洋航次钻孔位置及地震反射剖面
图2 IODP 390航次U1557钻孔岩芯剖面、碳含量分析及典型坡积角砾岩样品的手标本照片
图3 计算的U1557钻孔坡积角砾岩的平均碳含量及其与不同时代洋壳碳含量结果的对比。结果显示，U1557钻孔坡积角砾岩的平均碳含量是前人研究的2-40倍
该研究为定量评估洋中脊特定环境下的碳吸收通量提供了一个重要实例，同时为未来相关领域的研究提供了方向，对于建立岩石圈演化与环境演变之间的联系具有重要意义。类似于该研究的坡积角砾岩不仅在慢速洋中脊广泛发育，在造山带/缝合带的蛇绿岩中也大量报道，并被命名为“蛇绿碳酸盐”（Ophicalcite），如阿尔卑斯地区（Manatschal et al., 2011）。事实上，蛇绿碳酸盐只是影响慢速-超慢速洋中脊碳收支的一个方面，慢速-超慢速洋中脊的净碳通量的评估还需要更多工作的支撑和完善。首先，相对于快速扩张脊，慢速-超慢速洋中脊的岩浆作用明显减弱，火山活动导致的碳排放量显著降低。其次，慢速-超慢速洋中脊洋壳厚度变化极大，甚至很多地区缺失洋壳，地幔橄榄岩直接剥露于洋底并与海水发生强烈反应（即蛇纹石化作用），这样会导致更多的CO2以碳酸盐脉的形式被固定下来（Lissenberg et al., 2024）。因此，在慢速-超慢速洋中脊，一方面碳排放量降低，另一方面碳吸收量增加，它到底是碳源还是碳汇尚无定论。未来，对这一问题的研究可借助大洋钻探计划获得的洋壳和地幔深钻来定量评估，也可通过研究古老的大洋岩石圈（蛇绿岩）来对不同地质历史时期洋中脊的碳通量进行研究和对比，从而恢复洋中脊碳通量的深时演化。
主要参考文献
Alt J C, Teagle D A H. The uptake of carbon during alteration of ocean crust[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1999, 63(10): 1527-1535.
Coggon R M, Carter E J, Grant L J C, et al. A geological carbon cycle sink hosted by ocean crust talus breccias[J]. Nature Geoscience, 2025, 18: 1279-1286. (原文链接)
Le Voyer M, Hauri E H, Cottrell E, et al. Carbon Fluxes and Primary Magma CO2 Contents Along the Global Mid-Ocean Ridge System[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2019, 20: 1387-1424.
Lissenberg C J, McCaig A M, Lang S Q, et al. A long section of serpentinized depleted mantle peridotite[J]. Science, 2024, 385: 623-629.
Manatschal G, Sauter D, Karpoff A M, et al. The Chenaillet Ophiolite in the French/Italian Alps: An ancient analogue for an Oceanic Core Complex?[J]. Lithos, 2011, 124: 169-184.
Müller R D, Dutkiewicz A. Oceanic crustal carbon cycle drives 26-million-year atmospheric carbon dioxide periodicities[J]. Science Advances, 2018, 4: eaaq0500.
（撰稿：刘通，万博/岩石圈演化学科中心）
