地球深部无机碳通过大陆裂谷的火山作用进入大气圈，可调节大气CO₂浓度的变化，从而影响人类赖以生存的气候环境。晚埃迪卡拉纪和侏罗纪均处于超大陆裂解和分离期，但大气中CO₂和海相碳酸盐中碳同位素偏移（δ¹³C）却经历了不同程度的变化（图1）。其中，晚埃迪卡拉纪CO₂快速增幅高达～1300 ppmv，并记录了地质历史上最大的δ¹³C负偏（-12‰）；而侏罗纪CO₂浓度仅增加～900 ppmv，其海相碳酸盐的δ¹³C降低至-5‰。目前地球科学家提出一些概念模型用以解释该差异性的变化，然而，这些模型与深部无机碳释放动力学过程的拟合程度以及相应的控制性参数至今未被充分研究。

图1 （a-b）大气CO₂浓度和海相碳酸盐碳同位素偏移的历史演变；（c）晚埃迪卡拉纪海相碳酸盐的空间分布

       为理解深部无机碳储层释放CO₂的动力学演化过程，中国科学院地质与地球物理研究所王欣欣博士后、赵亮研究员、杨建锋特聘研究员、李继磊研究员、陈凌研究员和孙宝璐博士后，利用二维岩石-热力学数值模拟程序I2VIS，通过测试俯冲成因沉积碳在大陆岩石圈的储存深度、大陆岩石圈厚度、莫霍面温度、地幔潜温等影响因素，研究伸展构造下大陆岩石圈沉积碳储层活化、熔融、迁移过程的动力学机制。模拟结果表明（图2，图3），在大陆伸展期间，储存沉积碳的变质反应脱碳和部分熔融作用广泛发生，其熔体可沿跨地壳厚度的正断层向上迁移至地表。而且，较热的大陆岩石圈（包括高的莫霍面温度、高的地幔潜温和薄的岩石圈）和较深分布的沉积碳（岩石圈地幔深度）导致储层的脱碳效率提高～12%-77%，促进大量CO₂的释放并可通过断层作用和火山作用进入大气圈，为地质历史时期大气CO₂浓度的剧增提供了一种有效的驱动机制。

图2 伸展构造下俯冲成因沉积碳储层释放CO₂过程的模拟结果

图3 计算模型脱碳效率分别与演化时间（a）、岩石圈热结构相关的组合参数Pc（b）、沉积层和热结构相关的组合参数Psc（c）的拟合曲线图

       数值模拟结果可应用于解释晚埃迪卡拉纪和侏罗纪大气CO₂和海相碳酸盐δ¹³C的差异性变化。根据前人得到的碳同位素分馏实验数据，沉积碳酸盐变质脱碳释放的CO₂富含较重的¹³C，致使喷出地表的碳酸岩火山灰具有δ¹³C负偏的特征。因此，较热岩石圈和较深储存沉积碳的联合作用，控制了晚埃迪卡拉纪大气CO₂浓度的较大增幅和海相碳酸盐δ¹³C的最大负偏。

来源丨中国科学院地质与地球物理研究所

研究成果发表于国际学术期刊GRL（王欣欣, 赵亮*, 杨建锋, 李继磊, 陈凌, 孙宝璐. Continental Thermal Structure and Carbonate Storage of Subducted Sedimentary Origin Control on Different Increases in Atmospheric CO₂ in Late Ediacaran and Jurassic [J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50（18）: e2023GL104566. DOI: 10.1029/2023GL104566）。

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