SA寒武纪生命大爆发对地球深部碳循环的扰动

　　地球表层系统容易受到深部地质过程的影响，如火山、地震等自然灾害可以影响生物圈的宜居环境。然而，地球浅部过程（如生命活动）能否有效影响地球的深部圈层，则是一个值得研究的问题。板块俯冲过程是地球表层物质进入深部的主要途径，由于表层物质的碳含量和碳同位素（如有机碳）组成与地幔物质差异明显，因此沉积物俯冲及相关的碳循环过程可能对深部碳组成产生影响。该潜在影响可以通过地幔来源岩浆岩的源区组成变化进行示踪。金伯利岩是地球上目前已知的来源深度最大的岩浆岩，其岩浆源区包括克拉通岩石圈地幔以下（>150km）、地幔过渡带（410 660km）、下地幔甚至核幔边界等（Giuliani and Pearson, 2019）。因此，地质历史上不同时期金伯利岩源区特征的研究有望揭示深部地幔组成受长期板块俯冲过程的影响。近期瑞士苏黎世联邦理工学院Andrea Giuliani领导的小组研究发现，地球表层系统有机碳可以俯冲到地球深部，并在中生代以来（<250Ma）进入金伯利岩等深部地幔来源岩石的岩浆源区（Giuliani et al., 2022）。考虑到地球深部物质的循环时间，作者认为金伯利岩源区组成的明显变化与寒武纪生命大爆发后有机碳俯冲效率的增加有关。该研究表明地表生命活动已经影响到了地球的深部地幔。
　　该研究小组对来自世界各地69个地区、年龄在2060 0.012Ma之间的161件样品进行了全岩CO2浓度、碳和氧同位素分析，主要研究样品为金伯利岩和少量相关的方解霞黄煌岩（图1）。除了两件来自芬兰的样品，所有年龄大于350Ma样品的δ13C值都落在了地幔的范围内（δ13C：-4‰   -6‰，平均值为-5   0.6‰）。而32件年龄小于250Ma的金伯利岩样品中很多具有偏低且变化大的碳同位素组成，样品分布范围包括南非、加拿大东西部、巴西和澳大利亚南部。因此，这种碳同位素负漂趋势并不是局部事件，而反映一个全球性的过程。但是对于碳同位素在约250Ma时开始负漂，则有多种可能解释：1）金伯利岩岩浆上升过程中富含CO2流体出溶（或脱气）导致的碳同位素分馏作用；2）来自于低δ13C值页岩或类似岩性围岩的富CO2流体对地壳的混染作用；3）有机碳（δ13C= -20‰ -30‰）来源的俯冲地壳物质再循环到深部地幔源区。
　　图1 金伯利岩和方解霞黄煌岩碳同位素组成特征。每个数据点代表了 3个样本多次分析的平均值，绿色条形显示的是地幔δ13C值变化范围（δ13C = -5   1‰）（改自Giuliani et al., 2022）
　　图2 选定地区金伯利岩和方解霞黄煌岩碳同位素及 CO2浓度关系图（选择的依据是数据点数 5，a: 北美及格林兰岛；b: 非洲；c: 其他地区；红色圈内数据代表着部分离散值）（Giuliani et al., 2022补充材料）
　　随后，作者进行了模拟计算分析，首先排除了CO2丢失在大多数金伯利岩碳同位素系统中的影响。作者认为：1）大多数地区的δ13C值变化程度有限，与CO2含量无关，金伯利岩显示出很大CO2变化范围（图2）；2）全球范围内金伯利岩碳同位素比值与CO2浓度之间缺乏相关性可能是因为金伯利岩样品中的CO2含量受到多个过程的控制（初始熔体成分、CO2去气、地幔和地壳物质的同化混染、岩浆分异、热液蚀变及伴随的碳酸盐岩交代作用等）；3）C、Hf和Sr同位素具有较好的相关性（图3），基本上可以排除CO2出溶作用导致低δ13C值的原因（因为Hf和Sr不会从熔体中定量地分配到出溶流体或气相中）；4）将年轻的金伯利岩（<250Ma）较低的δ13C值归因于CO2的去气，这与较老的金伯利岩中缺乏轻碳同位素的组成特征不符。后者具有相似的体积组成，经历了类似的上升和侵位过程，包括最近报道的去气和流体出溶过程中CO2的丢失（Tappe et al., 2020）。
　　图3 世界范围内金伯利岩和方解霞黄煌岩的C、Hf、Sr同位素组成对比（改自Giuliani et al., 2022）
　　另外，作者分析认为来自于低δ13C值页岩或类似岩性围岩的富CO2流体对地壳的混染作用在降低全岩13C/12C值的同时也会增加δ18O值到地幔值以上。分析结果表明，小于250Ma的金伯利岩具有低于地幔值的δ13C值，却表现出类似于地幔（La de Gras）和特别重（South Australia）的δ18O值，这些金伯利岩中δ13C和δ18O值之间没有统计学上的明显相关性（图4）。这些观察表明，由高δ13O流体导致的地壳污染可能仅在局部产生影响，而不能控制全球金伯利岩的δ13C组成。
　　图4 金伯利岩和方解霞黄煌岩的碳和氧同位素组成。每个数据点代表了多次分析的平均值，绿色条形显示的是地幔δ13C和δ13O值变化范围（δ13C=-5 1‰, δ13O=7.5 1.5‰）（Giuliani et al., 2022）
　　最后，作者通过分析发现全岩δ13C值、初始176Hf/177Hf比值及钙钛矿初始87Sr/86Sr比值在统计学上具有很好的相关性（图3）。此外，混合模型和质量平衡计算结果表明，含有高达10% 15%的变质或部分去挥发分化的海洋沉积物（含有13C值成因最合理的解释。
　　那么问题在于，地球表面经历了怎样的过程才导致了这样的变化呢？作者通过系统地分析发现，金伯利岩中碳同位素在250Ma开始变轻与金伯利岩喷发频率的显著增加一致（图5A、图5B），这通常被认为与显生宙以来板块冷俯冲的开始有关。但是，板块俯冲热状态的改变无法解释碳同位素的扰动。此外，传统观点认为的碳酸盐岩和蚀变洋壳（含有机碳的比例不足20%）的俯冲无法提供充足的有机碳，并且碳酸盐在弧前或弧下位置会被有效剥离（Tumiati et al., 2020）。相反，在高压下，还原性有机碳（石墨/金刚石）在流体和板片熔体中的溶解度很低，限制了其从俯冲沉积物中的提取。最近一项关于沉积记录中有机碳含量的研究表明，元古宙-显生宙转换期（寒武纪生命大爆发之后）有机碳沉积显著增加（图5C）（Sperling and Stockey, 2018），这可以很好地解释显生宙沉积有机碳俯冲至下地幔的较高通量。需要注意的是，虽然寒武纪生命大爆发后有机碳沉积和俯冲的增加可将轻碳引入深部地幔，但从寒武纪生命大爆发到 250 Ma之后金伯利岩的碳同位记录的负漂移中间大约有300Ma的滞后（图5）。作者认为这一滞后与地球动力学模拟结果吻合，即俯冲板块大约需要250-300Ma才能俯冲至核幔边界并通过地幔柱相关的岩浆活动返回地表。这解释了地球表面生物地球化学变化（寒武纪生命大爆发）与金伯利岩记录的深部碳循环扰动之间的时间差。因此，寒武纪生命大爆发导致了有机碳埋藏和俯冲通量的增加，进而引起后期深部碳循环的明显变化，并被小于250Ma的金伯利岩所记录。该研究通过深部地幔来源的金伯利岩构建了地球表层和深部碳循环之间的桥梁，并为全球碳循环研究提供了一个全新视角。
　　图5 10亿年（1000Ma）以来金伯利岩碳同位素组成、爆发频率及页岩中总有机碳含量的比较。（A）金伯利岩和方解霞黄煌岩（aillikite）碳同位素组成（来源于图1）；（B）每50Ma金伯利岩爆发次数（19）；（C） 每50Ma页岩中总有机碳（TOC）变化（Giuliani et al., 2022）
　　主要参考文献
　　Giuliani A, Drysdale R N, Woodhead J D, et al. Perturbation of the deep-Earth carbon cycle in response to the Cambrian Explosion[J]. Science Advances, 2022, 8(9): eabj1325.
　　Giuliani A, Martin L A J, Soltys A, et al. Mantle-like oxygen isotopes in kimberlites determined by in situ SIMS analyses of zoned olivine[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 266: 274-291.
　　Giuliani A, Pearson D G. Kimberlites: from deep Earth to diamond mines[J]. Elements, 2019, 15(6): 377-380.
　　Sperling E A, Stockey R G. The temporal and environmental context of early animal evolution: Considering all the ingredients of an ＂explosion＂[J]. Integrative and Comparative Biology, 2018, 58(4): 605-622.
　　Tappe S, Stracke A, van Acken D, et al. Origins of kimberlites and carbonatites during continental collision–insights beyond decoupled Nd-Hf isotopes[J]. Earth-Science Reviews, 2020, 208: 103287.
　　Tumiati S, Tiraboschi C, Miozzi F, et al. Dissolution susceptibility of glass-like carbon versus crystalline graphite in high-pressure aqueous fluids and implications for the behavior of organic matter in subduction zones[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 273: 383-402.
　　撰稿：撰稿：张少华，纪伟强/岩石圈室
　　美编：陈菲菲
　　校对：刘淇郡 周星星