Elements：大火成岩省的生命周期对深部C循环的影响

碳C循环是揭示大火成岩省（LIPs）的形成及其对环境造成影响的重要标志。这种体积庞大的岩浆事件通常发生在很短的地质时期内，包含大量的镁铁质火山岩及伴生的侵入岩。每年大火成岩省的表面释气（CO₂）作用平均可排放3000Mt C元素，这些C元素可能来自于对流地幔、岩石圈地幔以及地壳的部分熔融作用，然而对于每个大火成岩省各自潜在的C来源，目前并不是十分清楚。

近期，来自于美国纽约市立大学地球与大气科学研究领域的Benjamin A. Black及其研究团队在Elements上发表研究成果。他们得出的主要认识如下：

大火成岩省（LIPs）主要以溢流玄武岩及伴生侵入体大量涌出为主。虽然不同类型岩浆相互作用的时间和机理并不清楚，但溢流玄武岩中碱性岩浆和碳酸盐岩岩浆的相互作用，证明了C元素在LIPs岩浆形成过程中的重要性。尽管LIPs包含了各种各样的岩浆类型，但其挥发分主要来源于拉斑玄武岩，基于熔体包裹体的挥发性和其中微量元素组成，估算大陆溢流玄武岩中C元素组成如图1所示。

图1 基于熔体包裹体中挥发性和微量元素组成，对西伯利亚和北大西洋大火成岩省中C元素组成示意图解（西伯利亚大火成岩省熔体包裹体数据Black etal.(2014); CO₂/Nb和CO₂/Ba的比值Rosenthal et al.(2015)；西伯利亚辉石中Nb和Ba组成 (Sobolev et al. 2009)和北大西洋火成岩省(Kent等，2004年)） 

前人对溢流玄武岩中CO₂含量的估算范围为0.5wt%~0.9wt%。但通过对夏威夷(Kilauea)、冰岛(Laki)溢流苦橄岩中不相容元素估算，证明原始岩浆可携带CO₂含量高于之前估算值（~1%或更多）。然而，这种原始岩浆只占构建LIPs喷发岩浆的一小部分，我们需要更详细的数值模型和地球化学测试来了解LIPs中玄武质岩浆及其他类型岩浆中C元素的组成。

例如，在溢流玄武岩中，体积庞大的拉斑玄武岩的C传递能力非常重要，但由于拉斑玄武岩母岩浆高度部分熔融，所产生的拉斑玄武岩不可能富含二氧化碳（图2），但它可以从富含CO₂的深层侵入岩浆中获取一部分CO₂，含量难以估算。 

图2 地幔熔体中熔体组成及CO₂体积浓度决定初始CO₂组成示意图（“融化度”随岩石圈厚度减薄而增加。基于批量熔融过程中CO₂高度不相容(Rosenthalet al. 2015)；原始地幔CO₂组成数据采用dasgupta and hIrsChmann (2010) and anderson and poland (2017)）

图3 LIPs的生命周期内陆幔柱-岩石圈相互作用，对对流地幔及岩石圈地幔熔融程度的影响图解（1、地幔柱（红色）对较厚的岩石圈地幔（黄色和棕色）初始撞击，低程度岩石圈地幔熔融；2、LIPs岩浆作用下岩石圈发生高强度减薄；图B和D显示了实验计算地幔熔融固相线，揭示了地幔柱作用下岩石圈底部地热梯度变化）

图4 LIP形成期间地幔、岩石圈地幔和地壳对CO₂演化的影响（每个LIP生命周期中，地幔熔融程度不同（上图）；不同储库中CO₂释放量及时间不同，来自地壳的CO₂和来自地幔的CO₂中C同位素组成不同，岩石圈地幔中C同位素组成无法确定（下图）。） 

通过深部对流地幔、岩石圈地幔和壳源的共同作用（图3和图4），再加上深部侵入岩浆作用，LIPs岩浆中所含CO₂含量在整个岩浆演化周期中是持续变化的。因此，无法直接获得LIPs的CO₂排放量与其体积喷发率的比例关系，LIPs体积喷发率最多可以反映C排放的速度。尽管如此，基于火山喷发量的粗略估算，为理解LIPs在全球C循环周期中的作用提供了新的开始。

文献信息：Black B A, Gibson S A. Deep carbon and the life cycle of large igneous provinces[J]. Elements: An International Magazine of Mineralogy, Geochemistry, and Petrology, 2019, 15(5): 319-324.