碳是地球上最重要的元素，是生命的核心元素，并且控制、影响着气候变迁和岩浆活动。地球上的碳主要存储在地幔中。传统上认为，碳在地幔中主要是以金刚石、石墨和碳化硅等还原态存在。最近，中国科学院海洋研究所深海中心孙卫东研究员与中国科学技术大学地球科学和空间科学院学院吴忠庆教授领导的团队，通过多学科联合攻关，论证了在上地幔底部存在一层“碳酸岩化的地幔橄榄岩”。该碳酸岩化层是地球上气候剧烈波动和生物大规模灭绝的策源地。

目前地学界普遍认为，地幔的氧逸度随着深度的增加而降低；在地幔深部，碳主要是以金刚石和碳化硅的形式存在。但是，观察表明，地幔柱岩浆中的二氧化碳含量远高于洋中脊玄武岩的二氧化碳含量。由于地幔柱岩浆来源深度远高于洋中脊玄武岩，按照现有观点，在地幔柱源区，碳主要以还原态形式赋存。要形成高的二氧化碳含量，需要通过氧化还原反应，把金刚石等氧化为二氧化碳，即所谓的Redox melting。这个过程要消耗三价铁。但是，地幔柱岩浆中的三价铁却高于洋中脊。这与传统的认识产生了很大矛盾。唯一可能的解释是在地幔深处存在碳酸岩化的地幔橄榄岩层。

孙卫东研究员等提出，在岩浆海阶段，金刚石在密度驱动下，聚集在上地幔底部，在板块运动开始后，这些金刚石逐渐被氧化为碳酸岩，形成了一层碳酸岩化的地幔橄榄岩层，控制着大火成岩省等深源岩浆中的二氧化碳含量，对气候的变迁起到阶段性的作用。

计算和高温高压实验表明，在浅部低压下，金刚石的密度大于地幔橄榄岩熔体；由于金刚石难于压缩，在深部高压下，金刚石的密度小于橄榄岩熔体。金刚石相对于地幔橄榄岩熔体密度高低的转折点在上地幔底部。在岩浆海阶段，地球整体熔融，岩浆为橄榄岩熔体。由于金刚石是结晶最早的矿物，早期结晶的金刚石在上地幔底部聚集，可以形成一个富集金刚石的层。

高温高压实验显示，下地幔中布里集曼石中三价铁占总铁的60%左右。在板块俯冲过程中，俯冲板片可以下插到下地幔。作为补偿，下地幔物质会进入上地幔，导致布里集曼石分解，释放出三价铁，氧化金刚石，形成碳酸岩。经过数十亿年的板块俯冲，布里集曼石分解所释放的三价铁逐步将金刚石层转变为碳酸岩化的地幔橄榄岩层。地球物理学家很早就发现，在上下地幔边界存在速度和密度的异常。利用第一性原理计算发现，这种速度和密度的异常可以用碳酸岩化的地幔橄榄岩来解释。

这一模型不仅可以解释地幔柱岩浆中高的二氧化碳含量，还可以解释金伯利岩与地幔柱的对应关系等地球科学新进展。正是这个碳酸岩化的地幔橄榄岩层的存在，致使大火成岩省可以释放大量的二氧化碳，对地球的环境有更大的影响。

本文最近发表在Chemical Geology上。本研究受国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“燕山期重大地质事件的深部过程与资源 应”（2016YFC0600408）和中科院先导专项（XDB18020000）等项目联合资助。

论文信息：Sun, W.D., Hawkesworth,C.J., Yao, C., Zhang, C.C., Huang, R.F., Liu, X., Sun, X.L., Ireland, T., Song,M.S., Ling, M.X. and Ding, X., 2017. Carbonated mantle domains at the base ofthe Earth's transition zone. Chemical Geology

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.08.001

文章来源：燕山期重大地质事件微信平台