最近，我系陈立辉教授、王小均讲师，联合中国地质大学（北京）的刘盛遨教授在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表观点文章，对“地表的碳酸盐能否进入下地幔”这一深部碳循环话题展开讨论。

地表的碳酸盐会随着洋壳和沉积物的俯冲进入地幔。进入地幔后，它们中的绝大多数会在上地幔分解，并通过火山喷发，以CO₂的形式回到地表，从而实现地表和地球内部的碳循环。那么，地表的碳酸盐能否进入地球的更深部——下地幔，从而实现“地心之旅”呢？

论证并评估这一问题的一种思路是：地幔柱从下地幔上升到上地幔，熔融产生洋岛玄武岩和大陆溢流玄武岩，因此这些火山岩是了解下地幔物质组成的理想对象。由于地表碳酸盐和地幔之间的Mg和Zn等金属元素的稳定同位素组成存在明显差异，因此，对洋岛玄武岩和大陆溢流玄武岩的金属稳定同位素组成进行分析，即可探讨地表碳酸盐能否进入下地幔这一问题。

该文指出，一方面，虽然近年来在一些洋岛玄武岩中发现了金属稳定同位素组成上的异常（比如相对于正常地幔偏低的δ²⁶Mg和偏高的δ⁶⁶Zn值），但现有证据尚不足以证明下地幔中存在来自地表的碳酸盐。比如：

·   来自南太平洋Pitcairn岛的EM1型洋岛玄武岩（在洋岛玄武岩中具有最低的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb比值）虽然具有低的δ²⁶Mg值（图1a），但其元素组成CaO/Al₂O₃比偏低，与预期的含碳酸盐地幔熔融产生的熔体成分不吻合（图1b）。这一Mg同位素和主量元素解耦的现象可能归因于早期板块俯冲过程中的脱碳反应，导致再循环的硅酸盐物质继承了碳酸盐的低δ²⁶Mg特征。

·    来自南大西洋St. Helena岛的HIMU型玄武岩（在洋岛玄武岩中具有最高的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb比值，图1a），虽然其CaO/Al₂O₃比符合含碳酸盐地幔熔融产生熔体的成分预期，但其δ²⁶Mg值却与正常地幔来源的熔体没有明显区别（图1b）。因此，St. Helena玄武岩的地幔源区可能为碳酸盐化橄榄岩。俯冲的碳酸盐化洋壳熔融产生碳酸盐熔体，这种熔体交代地幔橄榄岩形成碳酸盐化橄榄岩。由于交代熔体的MgO含量远低于地幔橄榄岩，导致其无法在低的熔岩比条件下改变后者的Mg同位素组成（图1a中蓝色曲线）。

图1 不同类型洋岛玄武岩 δ²⁶Mg与²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb和CaO/Al₂O₃比值的协变图

另一方面，虽然在大陆溢流玄武岩中暂未发现Mg、Zn等同位素组成的异常现象，这也并不意味着其源区缺乏再循环的地表碳酸盐。这是因为，由于这些玄武岩是地幔较高程度部分熔融的产物，正常地幔橄榄岩来源熔体的贡献比例太大，可以掩盖掉再循环碳酸盐组分的化学信号。

既然目前的同位素研究都不能给出确定结论，究竟该如何探讨地表碳酸盐的“地心之旅”呢？作者们认为，随着金属稳定同位素分析技术的进一步发展，相关高质量同位素数据的不断积累，不同地球化学示踪技术的综合应用，尤其是针对洋岛玄武岩等地幔柱相关幔源火山岩的Mg和Zn同位素的联合示踪，将揭开地球深部碳循环的面纱！ 

该研究得到了国家自然科学基金项目（42130310、41973001、41730214）的资助。研究详情请阅读原文：Probing recycled carbonate in the lower mantle。论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac061