海洋地壳俯冲驱动深部碳循环？来自碳酸岩钾同位素的见解

地球表面的碳通过板块俯冲作用进入地幔，又通过火山活动返回地表，这一深部碳循环过程构成了全球碳循环的关键环节，然而，俯冲带中地表碳是否真的进入了地幔深部呢？这一过程存在长期的争议，近日，一项Scicence上的研究，通过分析全球14个地区38个碳酸岩样本的钾同位素组成，首次直接证实了这一问题，地表碳可以随俯冲带进入地幔深部，揭示了海洋地壳俯冲是驱动地球深部碳循环的核心机制。

碳酸岩是一种富碳岩浆结晶形成的罕见火成岩，其碳酸盐矿物含量超过50%，主要由地幔低程度部分熔融形成，由于碳酸岩主要来源于地幔，同时能够保留源区的微量元素和同位素特征，这些特征可以作为研究深部碳循环的理想对象。

此前的研究曾利用钙、镁等同位素探讨碳酸岩中是否含有再循环碳酸盐组分，但这些指标存在局限性，而钾在地幔部分熔融过程中几乎不发生同位素分馏，在碳酸岩主要矿物中高度不相容，且对对源区组成变化非常敏感。

为了探究海洋地壳俯冲驱动深部碳循环，研究团队收集了从20亿年前至今的全球14个地区的38个代表性碳酸岩样本，通过高精度钾同位素分析（δ⁴¹K），研究发现，这些碳酸岩的δ⁴¹K值变化范围很大，明显超出原始地幔的范围。

为什么碳酸岩的地幔源区会具有异常高的钾同位素组成？研究人员系统评估了三种可能改变原始岩浆钾同位素组成的机制，一种是地表风化和热液蚀变、一种是地壳物质混染，还有一种是岩浆分异过程，但是这些都无法解释钾同位素异常的问题，也就是这些异常的δ⁴¹K的出现，必定来自于其他地区。

那又是什么样的地幔源区会产生这样的同位素特征呢？研究团队通过蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation），系统评估了不同俯冲物质与地幔混合的效应。蒙特卡洛模拟是基于概率统计的数值计算方法，通过大量随机采样来估算复杂系统的可能结果。

研究为了验证俯冲物质对地幔源区的影响，采用质量平衡模拟，其中 A 和 B 是两个混合端元，M 代表混合物；[K] 代表钾浓度；δ⁴¹K 表示钾同位素组成；f表示混合比。

模拟结果显示，碳酸盐化洋壳与地幔的混合可产生与观测相符的高δ⁴¹K值，而沉积物或榴辉岩组分则导致更轻的同位素组成，无法解释高δ⁴¹K特征，验证了碳酸岩的高δ⁴¹K 需由俯冲的碳酸盐化洋壳贡献，支持碳通过板块俯冲进入深部地幔的假说。

这项研究首次系统论证了海洋地壳俯冲是深部碳循环的关键驱动力，俯冲洋壳可以将地表碳输送至深部地幔，为理解地球长期碳平衡提供了新视角。

图：蒙特卡罗模拟图🔽

( A ) 基于蒙特卡洛模拟的富碳酸盐洋壳钾同位素组成的正态分布。( B ) 再循环碳酸盐化AOC在0至30%不同混合率下交代的地幔源区钾同位素组成的模拟结果。( C ) 碳酸岩样品钾同位素数据的小提琴图，以及地幔与榴辉岩、俯冲沉积物和碳酸盐化AOC混合的蒙特卡洛模拟结果（模拟细节见正文）。碳酸岩中极轻的钾同位素组成是由流体交代作用产生的。

❓思考题：高δ⁴¹K值的碳酸岩最可能来自哪里？

A.原始地幔
B.俯冲的蚀变洋壳
C.陨石撞击形成的岩石
D.深海热液喷口附近的沉积物

参考文献：Heavy potassium isotopes in carbonatites reveal oceanic crust subduction as the driver of deep carbon cycling. Science Advances，13 Jun 2025，Vol 11, Issue 24，DOI: 10.1126/sciadv.adt1023