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地空学院张立飞课题组在俯冲带深部碳循环方面取得重要进展:在榴辉岩中发现非生物成因的CH4,为“俯冲带加工厂”生成碳氢化合物提供关键性证据
日期: 2018-10-06  信息来源: 地球与空间科学学院

地球的碳循环分为短周期的地表碳循环和长周期的地球深部碳循环,地球整体的碳储量90%以上是赋存在固体地球内部,因此深部碳循环研究对于探讨地表碳循环过程具有十分重要意义。板块俯冲带是连接地表碳循环和深部碳循环的纽带,通过俯冲带可以将地表的含碳物质带到地球深部,因此,板块俯冲带被称为“俯冲带加工厂”。来自洋壳沉积物的地表碳被带入俯冲带,随后通过俯冲带岛弧火山作用又将部分碳循环到大气中,而残余大量的碳将通过俯冲变质作用进入深部地幔。因此要理解深部碳循环过程,含碳物质在俯冲带变质过程中的物相转变至关重要。

北京大学地球与空间科学学院张立飞课题组近年来在发现了中国西天山洋壳深俯冲超高压变质带基础上,通过详细的岩石学研究,首次在碳酸盐化榴辉岩中发现了含有CH4的气相碳氢化合物包裹体,提出了俯冲洋壳板块内的富铁碳酸盐矿物与水在高温高压条件下发生歧化反应,碳酸盐矿物被还原生成了非生物成因碳氢化合物CH4等。为了进一步验证俯冲板块中碳酸盐矿物与水反应生成碳氢化合物的可能性,该课题组利用北大高温高压实验室的六面顶大腔体压机对观察到的自然界岩石进行了实验验证,他们将含铁碳酸盐矿物(菱铁矿)与水在黄金样品仓内混合,并施加高达6 GPa的压力(几乎是海平面气压的6万倍),温度从600℃升高到1200℃。样品冷却卸压后,提取气相和固相物质分析其成分,课题组成员发现了甲烷、乙烷和丙烷等气相碳氢化合物以及石墨,磁铁矿等固相物质,这表明在高温高压条件下,无机碳氢化合物可以由碳酸盐矿物与水发生氧化还原反应生成。在固相实验产物中,他们发现了与西南天山的高压榴辉岩中相同的矿物组合(石墨、磁铁矿、白云石),这进一步验证了西天山晚古生代榴辉岩中发现的甲烷包体是可以通过这种含铁碳酸盐矿物的还原反应形成的。

地球上的绝大多数碳氢化合物来自于生物体活细胞的残骸,但该团队最新研究表明,在地质历史中大洋板块冷俯冲带榴辉岩相变质过程中,轻的碳氢化合物也可以通过这种碳酸盐矿物的无机氧化还原反应形成,板块俯冲带可以作为“加工厂”生产出非生物成因的碳氢化合物。这对于进一步探讨石油-天然气的无机成因理论以及深部油气资源勘察都具有重要意义。

俯冲带深部碳循环示意图

西天山榴辉岩中的矿物组合以及绿辉石中的碳氢化合物包裹体

以上研究成果已于2018年8月12日正式发表在国际地质学著名期刊Geochimica et Cosmochimica ActaGCA)上(地学Nature Index期刊),被国际深部碳观测计划(Deep Carbon Observatory)(国际深部碳观测计划是由美国Alfred P. Sloan Foundation提供五千万美元于2009年设立的,旨在加强全球有关地球深部碳循环方面的科学问题研究)选入最新一期的News Letter中,并以“under right conditions subduction zone factories may manufacture abiotic hydrocarbons”进行了深入报道,这是自DCO成立以来首次报道中国学者在深部碳方面的研究成果。

该论文第一完成单位为北京大学,博士生陶仁彪为第一作者(目前在法国Claude Bernard Lyon大学做博后),张立飞为通讯作者。参与此项研究还有北大刘曦教授,合作者有中科院广州地球化学研究所刘金钟博士和美国卡内基地球物理所费英伟研究员。该项工作得到了国家自然科学基金会重点国际(地区)合作研究项目资助。

论文信息:Renbiao Tao, Lifei Zhang, Meng Tian, Jianjiang Zhu, Xi Liu, Jinhong Liu, Heidi E. Ho¨fer, Vincenzo Stagno, Yingwei Fei, 2018. Formation of abiotic hydrocarbon from reduction of carbonate in subduction zones: Constraints from petrological observation and experimental simulation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 239, 390-408.

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703718304368

编辑:山石

 


   
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