碳在地球各个圈层中的流动和转化过程称为地球的碳循环。地球的碳循环过程可以划分为表层和深部碳循环。两个碳循环过程密不可分, 以不同的时间变率相互交织共同维持着地球上气候平衡。古气候指标数据显示, 新生代以来大气中的二氧化碳浓度(pCO2)与地球表面温度之间存在着显著的正相关关系, 即当二氧化碳浓度上升时, 地球表面的温度也会随之升高[1,2](图1(a))。因此, 研究过去地质历史时期pCO2变化的驱动机制对我们理解地球系统的运行机理以及预测未来气候变化的趋势具有重要的意义。

图1层析成像模型重建的结果与古气候数据, 修改自Shen等人[4]。(a) 氧同位素记录的全球平均温度(绿色和红色)和模拟的pCO2(蓝线), 数据来自于Hansen等人[1]。pCO2指标数据(蓝色圆圈)来自于Beerling和Royer[2]。(b) 海水中的锶同位素比值。蓝色圆圈来自于Hess等人[20]；红色圆圈来自于Depaolo和Ingram[21]；黄色圆圈来自于Richter和Depaolo[22]。(c) 印度-欧亚碰撞区域的俯冲板片通量。(d) 60、50、40 Ma时刻重建的层析成像模型

学术界普遍认同[3]地球上存在6个主要的碳储库, 在地质时间尺度上(大于1个百万年), pCO2主要受构造尺度的碳循环控制(如大洋岩石圈、大陆岩石圈及地球深部的碳)。构造碳的释放主要有4个通道, 包括俯冲带、大洋中脊、热点以及大陆内断层及断裂带；地球表面圈层碳进入地球内部则只有俯冲带作为唯一通道。然而在地质历史时期内, 构造区域的碳排放通量与pCO2变化的因果关联存在很大争议, 提出了很多相互并不兼容的模型[4]。

最近, Shen等人[4]利用地震层析成像时间域重建的方法, 恢复了过去特提斯区域的俯冲情景, 并计算了新生代以来印度-欧亚碰撞区域的俯冲板片通量(单位时间内俯冲大洋岩石圈进入地幔的体积), 发现该区域的俯冲板片通量与pCO2变化具有显著的同步性。这一发现表明特提斯洋俯冲引起的弧火山作用以及大洋闭合后的岛弧/大陆-大陆碰撞与新生代早期pCO2及气候变化可能有着重要的因果关系。

在深部碳循环路径中, 俯冲带是地球表面和深部之间进行碳交换的一个重要通道。大洋岩石圈的俯冲会携带大量的碳(包括海底沉积物、蚀变洋壳及蛇纹石化的岩石圈地幔的碳)进入地球内部。其中一部分碳通过大洋岩石圈的脱碳作用在弧火山处释放到大气中, 而另一部分则会随着俯冲板片进入地球深部的碳储库中。在地质时间尺度上, 从地球内部输入和输出的碳通量是总体保持平衡[5], 因此俯冲板片通量可以近似地看作衡量构造碳排放的一个的指标。俯冲板片中碳的输入通量则是控制弧火山的碳排放通量的一个重要因素, 俯冲板片通量可以用来指示对应的俯冲带处弧火山的碳排放速率。为了更好地了解大洋岩石圈的俯冲过程对气候变化的影响, 我们需要计算过去地质历史时期的俯冲情景并计算对应时期的俯冲板片通量。

地震层析成像是一种对地球深部结构进行成像的方法, 地幔层析成像模型中的高速异常通常被解释为过去俯冲下去的较冷的板片物质。统计结果显示, 地震层析成像模型中的高速异常与板块运动模型中过去俯冲带的位置之间有着显著的相关性[6], 因此可以使用深部地幔中的俯冲板片来重建过去地质历史时期的俯冲情景。Van der Meer等人[7]假定俯冲板片在地幔中具有恒定的下沉速率1.2 cm/a, 用全球层析成像模型中每个深度上的板片分布来恢复对应地质时期的古俯冲带的分布情况。通过这种地震层析成像模型重建的方法, 他们计算了三叠纪以来全球俯冲带的长度以及俯冲板片通量, 并将其带入全球碳循环模型GEOCARBSULF得到了过去250 Ma以来pCO2变化曲线。该结果能够与pCO2指标数据较好的拟合, 表明板块构造驱动的碳排放是pCO2变化的主要因素。考虑到不同俯冲带的差异性, 每个俯冲板块都有其不同的形成、演化和沉积历史, 同一时期俯冲带的碳输入在全球范围内存在着很大的差异[5], 因此关键区域的构造事件也有可能会引起全球的气候扰动。自新生代以来, 全球气候持续变暖, 并在早始新世气候适宜期(EECO, 距今约53~51百万年)达到峰值, 随后地球开始持续变冷并进入了冰期状态[1]。这一时期地球上也发生了许多重要的构造事件, 如新特提斯洋的关闭、印度-欧亚板块的碰撞以及后续青藏高原的形成[8,9], 与这些构造事件相关的火山活动和岩浆喷发是否会导致全球气候的变化？Shen等人[4]利用全球地震层析成像模型重建的方法给出了新的线索。

由于以往地震层析成像重建的研究[7,10]通常在整个地幔中使用一个全球平均俯冲板片下沉速率, 这种假设过于简化了俯冲过程。考虑到上下地幔之间的黏度跳变以及不同俯冲区域的差异性, Shen等人[4]建立了一个随空间和时间变化的非恒定俯冲板块下沉速率模型, 并结合了地表板块重建的历史, 因此可以更加准确地恢复晚白垩纪以来特提斯区域的俯冲历史。

根据重建的层析成像模型, 他们计算了新生代以来印度-欧亚板块碰撞区域的俯冲板片通量, 通过与该时期的古气候数据对比发现二者之间存在潜在的因果关系(图1), 这意味着与新特提洋俯冲相关的火山弧排气在调节pCO2浓度方面发挥了关键作用：随着晚白垩纪以来全球碳酸盐补偿深度的加深[11]以及热带地区高的生物生产力[12], 新特提斯洋岩石圈沿着拉萨南部向北俯冲可能将大量富碳的沉积物带入地球内部；全球深海碳酸盐重建[13]和海洋钻探数据[14]结果显示, 相比于其他俯冲带, 特提斯俯冲带具有明显更多的深海碳酸盐沉积物, 意味着该区域俯冲板片脱碳引起的碳排放通量可能足以引起全球的pCO2变化。根据多阶段印度-欧亚碰撞模型[10,15,16], 在约64 Ma西藏喜马拉雅地块和Kohistan-Ladakh弧(KLA)发生弧陆碰撞, 之后新特提斯洋的洋内俯冲停止, 导致更多的富碳大洋岩石圈沿着欧亚大陆南缘俯冲(图1(d))。由于大陆弧火山机制的碳排放通量要高于岛弧火山机制[17], 60~50 Ma期间俯冲板片通量的增加(图1(c), (d))引发更多的大陆弧火山的二氧化碳排放, 从而导致pCO2的增加以及全球变暖。在约50 Ma印度大陆与西藏喜马拉雅地块发生陆陆碰撞, 该碰撞导致特提斯脱碳俯冲工厂关闭以及后续青藏高原的形成, 同时俯冲板片通量与pCO2都明显下降(图1(a), (c))。由于大陆地壳中缺少含水流体[18], 后续的印度板块俯冲引发的岩浆作用相对较少, 因此弧火山的二氧化碳排放通量也突然减少, 这可能造成50~40 Ma期间pCO2的急剧下降。40 Ma之后, pCO2呈现长期缓慢的下降趋势, 构造隆升-侵蚀假说表明青藏喜马拉雅山脉隆升引起的大陆风化速率增强可能导致40 Ma之后pCO2降低[19]。这一假说得到了海水中锶同位素比值(87Sr/86Sr, 图1(b))的支持, 可以解释大陆硅酸盐的风化导致海水中的锶同位素比值升高。

Shen等人的研究综合地震层析成像和板块运动建模了特提斯洋俯冲的演化过程, 为定量描述深部碳循环与地表气候变化之间的联系建立了一个全新的运动学框架, 并提出了新生代以来气候变化与构造碳循环之间的可能因果关系。需要指出的是, 新特提斯洋板块快速俯冲阶段具体的CO2通量是多少？俯冲界面上哪些物理化学变化上导致并保持pCO2的快速上升？这些问题尚未确定, 亟需热-力学-挥发分循环动力学模型重建。未来的研究需要通过结合多学科观测、地球动力学模拟、气候学模型等多方面的结果, 才能更加准确重现深部地球碳循环的动态演化过程, 并揭示其对地表气候演变的调控机理。

参考文献

1 Hansen J, Sato M, Russell G, et al. Climate sensitivity, sea level and atmospheric carbon dioxide. Philos Trans R Soc A, 2013, 371: 20120294

2 Beerling D J, Royer D L. Convergent cenozoic CO2 history. Nat Geosci, 2011, 4: 418−420

3 Zhao L, Guo Z, Yuan H, et al. Dynamic modeling of tectonic carbon processes: state of the art and conceptual workflow. Sci China Earth Sci, 2023, 66: 456−471

4 Shen H, Zhao L, Guo Z, et al. Dynamic link between Neo-tethyan subduction and atmospheric CO2 changes: Insights from seismic tomography reconstruction. Sci Bull, 2023, 68: 637−644

5 Plank T, Manning C E. Subducting carbon. Nature, 2019, 574: 343−352

6 Domeier M, Doubrovine P V, Torsvik T H, et al. Global correlation of lower mantle structure and past subduction. Geophys Res Lett, 2016, 43: 4945−4953

7 Van Der Meer D G, Zeebe R E, van Hinsbergen D J, et al. Plate tectonic controls on atmospheric CO2 levels since the Triassic. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111: 4380−4385

8 吴福元, 万博, 赵亮.特提斯地球动力学. 岩石学报, 2020, 36: 1627−1674

9 Zhu R, Zhao P, Zhao L. Tectonic evolution and geodynamics of the Neo-tethys ocean. Sci China Earth Sci, 2022, 65: 1−24

10 Zahirovic S, Matthews K J, Flament N, et al. Tectonic evolution and deep mantle structure of the eastern Tethys since the latest Jurassic. Earth-Sci Rev, 2016, 162: 293−337

11 Dutkiewicz A, Müller R D, Cannon J, et al. Sequestration and subduction of deep-sea carbonate in the global ocean since the Early Cretaceous. Geology, 2019, 47: 91−94

12 Kent D V, Muttoni G. Equatorial convergence of india and early cenozoic climate trends. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105: 16065−16070

13 Müller R D, Mather B, Dutkiewicz A, et al. Evolution of earth’s tectonic carbon conveyor belt. Nature, 2022, 605: 629−639

14 Clift P D. A revised budget for Cenozoic sedimentary carbon subduction. Rev Geophys, 2017, 55: 97−125

15 Yuan J, Deng C, Yang Z, et al. Triple-stage India-Asia collision involving arc-continent collision and subsequent two-stage continent-continent collision. Glob Planet Change, 2022, 212: 103821

16 Van der Voo R, Spakman W, Bijwaard H. Tethyan subducted slabs under India. Earth Planet Sci Lett, 1999, 171: 7−20

17 Lee C T A, Shen B, Slotnick B S, et al. Continental arc-island arc fluctuations, growth of crustal carbonates, and long-term climate change. Geosphere, 2013, 9: 21−36

18 Yang J, Lu G, Liu T, et al. Amagmatic subduction produced by mantle serpentinization and oceanic crust delamination. Geophys Res Lett, 2020, 47: e2019GL086257

19 Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of late Cenozoic climate. Nature, 1992, 359: 117−122

20 Hess J, Bender M L, Schilling J G. Evolution of the ratio of strontium-87 to strontium-86 in seawater from Cretaceous to present. Science, 1986, 231: 979−984

21 DePaolo D J, Ingram B L. High-resolution stratigraphy with strontium isotopes. Science, 1985, 227: 938−941

22 Richter F M, DePaolo D J. Diagenesis and Sr isotopic evolution of seawater using data from DSDP 590B and 575. Earth Planet Sci Lett, 1988, 90: 382–394

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