地球深部碳循环

碳是地球上最重要的元素，是生命的核心元素。而二氧化碳、甲烷等含碳气体则是最主要的温室气体，控制着地球的气候变迁和宜居性。因此，碳循环对于理解宜居地球的形成机理和演化，具有至关重要的意义。

从比较行星学的角度看，地球早期大气是以二氧化碳为主的。前人估计，大气二氧化碳有110个大气压。在岩浆海冷却前，水主要存留在大气圈，其分压超过500大气压，因此，原始大气圈底部存在一个超临界二氧化碳+水混合物的层。超临界二氧化碳与硅酸盐地球的相互作用是宜居地球形成的第一步，是生命起源的关键(Zhang等, 2020)。同时，超临界二氧化碳风化硅酸盐形成碳酸盐，经板块俯冲进入地球深部。导致地球上超过90%的碳储存在地球内部。

地球内部的碳绝大部分以金刚石、石墨和碳化铁的形式存在，少量以碳酸盐形式存在。金刚石、石墨等矿物很稳定，很少参与碳循环，被认为是“死碳”。碳酸盐是深部碳循环的关键。但是，碳酸盐化的地幔橄榄岩固相线大幅度降低，导致部分熔融，形成岩浆岩，喷出地表。现今地球，只有300~800千米深度下，碳酸盐化地幔橄榄岩的固相线高于地幔温度，可以存储碳酸盐。考虑到地球早期温度远高于现今温度，地球早期碳酸盐化地幔橄榄岩不能稳定保存。

在岩浆海阶段，最先结晶的矿物是金刚石。在地幔浅部，金刚石的密度大于硅酸盐熔体；在深部，金刚石的密度小于硅酸盐熔体。密度拐点位于上下地幔边界。因此，岩浆海阶段结晶的金刚石倾向聚集在上下地幔边界。由于铁在下地幔发生歧化反应，因此下地幔的布里极曼石富含三价铁。在板块俯冲过程中，俯冲板片进入下地幔会导致下地幔物质补偿进入上地幔，布里极曼石分解，释放出三价铁，氧化金刚石，在上下地幔边界形成碳酸盐(Sun等, 2018)，甚至高压二氧化碳。这是深部碳循环的一个重要策源地。

参考文献

Zhang X, Li L F, Du Z F, et al. Discovery of supercritical carbon dioxide in a hydrothermal system. Science Bulletin, 2020, 65: 958-964

Sun W D, Hawkesworth C J, Yao C, et al. Carbonated mantle domains at the base of the earth's transition zone. Chemical Geology, 2018, 478: 69-75