火山气体及其携带的地球化学信息是揭示地球深部物质循环、岩石圈结构与板块汇聚动力学过程的有效指标。利用火山气体探讨大陆碰撞、俯冲及其相关的深部物质循环过程是研究大陆碰撞造山带深部碳循环的重要途径。作为印度-欧亚大陆汇聚拼合的产物，青藏高原是研究大陆碰撞带深部碳循环的关键地区。然而，受限于高海拔和采样难度，以往的研究多集中于高原南部的喜马拉雅与拉萨地块，对于青藏高原腹地羌塘地块的火山气体地球化学数据长期匮乏，导致高原北部深部碳循环过程与大陆俯冲的关联机制不明。针对这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室郭正府研究员团队系统分析了青藏高原北部火山区温泉气体的化学组成（包括CO2、CH4等）及He、C同位素特征，探讨了近南北向横跨青藏高原的火山气体同位素演变机制，揭示了青藏高原深部碳循环过程及其与大陆俯冲的动力学联系，为理解大陆碰撞带深部碳的来源、释放通量与气候效应提供了新视角。
图1 青藏高原构造背景图、火山气体3He/4He比值与研究区样品分布简图
研究团队在青藏高原拉萨地块北部和羌塘地块的火山区采集了15个热泉气体样品，研究结果表明，高原北部低CO₂的样品（成分以N2为主）明显经历了碳酸钙沉淀、有机质混染等地表过程，从而呈现相对较轻的δ¹³C值与低的CO₂/³He比值，而高CO₂的样品（成分以CO2为主）则几乎不受地表过程或同位素分馏的影响，显示出相对较高的³He/⁴He比值（0.11–0.39 RA，显著高于地壳值）和重的δ¹³C值（-4.66‰至0.02‰）；结合明显较高的CO₂/³He比值（36–9,400×10⁹），提出挥发分中存在地幔来源的碳酸盐组分（图2）。通过构建耦合的He-C同位素模型，发现从南向北，地幔（DM）及再循环碳酸盐（RC）来源碳的比例逐步增加，而地壳碳组分（CEE）减少。这一发现明确了青藏高原中北部地幔经历了显著的碳酸盐交代作用，为深部碳的储存和释放提供了挥发分地球化学研究的新证据。
图2 青藏高原高CO2气体的地球化学特征与He-C同位素计算模型
研究结合已有的文献数据，研究构建了自喜马拉雅造山带至藏东北约1000公里的挥发分脱气横断面（图3）。沿该脱气横断面，³He释放通量从喜马拉雅地区的6.0×10³ atoms/m²/s增至北部羌塘地块的3.4×10⁵ atoms/m²/s，这可能与印度-亚洲大陆的持续汇聚过程密切相关，表明青藏高原中北部存在活跃的地幔挥发分构造脱气域。结合δ¹³C等参数在南北空间上的变化，印度板块向北俯冲（沿雅江缝合带）与亚洲板块向南俯冲（沿昆仑山逆冲带）的双重大陆俯冲模型在整体上控制了青藏高原的幔源挥发分释放。该模型能够解释藏北地幔上涌、岩石圈热异常与高原北部火山气体地球化学之间的关联，揭示在碰撞带背景下，俯冲的大陆板片依旧对火山挥发分循环过程起到调控机制。基于挥发分³He通量与CO₂/³He比值，研究还计算了青藏高原热泉CO₂排放通量平均为63.8 ton/km2/yr，每年通过热泉活动直接排放的CO2通量达到41.5千吨，为评估大陆碰撞-高原隆升对新生代气候变化的贡献提供了定量数据。若考虑火山-地热区周边的土壤扩散脱气过程，印度-亚洲大陆碰撞带将是地球深部碳返回大气的重要构造区域。
图3 青藏高原南北向横截面火山气体地球化学特征与深部动力学机制
研究通过He-C同位素耦合模型与跨区域的气体地球化学数据，首次系统揭示了青藏高原北部的深部碳循环动力学机制，证实了高原北部碳酸盐化地幔的存在及双俯冲大陆板片对碰撞带挥发分脱气的控制。未来还需结合矿物包裹体分析、地球物理成像等多学科手段，进一步厘清俯冲大陆板片与地幔相互作用的细节，并拓展对全球碰撞带碳通量的综合评估。
研究成果发表在国际学术期刊JGR: Solid Earth（赵文斌，郭正府*，张茂亮，孙玉涛，成智慧，李菊景. Donald B. Dingwell. Continental subduction and the deep carbon cycle in northern Tibet [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2025, 130: e2024JB028999. DOI: 10.1029/2024JB028999.）。研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金以及研究所重点部署研究项目等的联合资助。
赵文斌（博士后）
