锌同位素证据显示北极软流圈中碳酸盐的广泛再循环

为何深部地球碳重要

地球的大量碳深藏于脚下深处，悄然影响火山活动、地震以及长期气候。本研究着眼于北冰洋下的一段偏远中洋脊——加克尔脊，提出一个令人惊讶的问题：尽管远离典型的深源“热点”和活跃俯冲带，该处的熔岩为何仍如此富碳？通过追踪锌的微弱化学指纹，作者们描绘出古老海底碳酸盐——曾经属于海洋地壳——如今如何在地幔中贡献物质，助长这一地球上最孤立角落之一的富碳火山活动。

一条安静的脊却有出人意料的碳负荷

中洋脊是大片海底山脉，在板块张开时产生新的海洋地壳。通常，远离热点和俯冲带的洋中脊被认为来自碳含量较低的地幔。然而世界上扩张最慢、位于北极冰层下的加克尔脊打破了这一常规。以往研究表明，该处熔岩中的二氧化碳含量约为典型“安静”洋中脊的三倍，堪比受地幔柱影响的洋脊。新研究通过分析沿1100公里脊段回收的玄武岩样品的化学成分和同位素，试图解释这一谜题。

将锌作为隐藏碳酸盐的示踪剂

关键线索来自锌的同位素，锌在岩石和某些含碳矿物中都存在。表层碳酸盐（如海相沉积中形成的碳酸盐）具有明显“重”一些的锌同位素比值，相较于平均地幔而言。如果这些碳酸盐在俯冲带被拖下并在深部存活下来，它们后来可能与洋脊下方的地幔混合，并将其锌的信号传递给上升的岩浆。加克尔玄武岩显示出系统性比全球典型洋中脊玄武岩更偏重的锌同位素值。细致的检验排除了晶体分异、熔融度变化或与不含碳酸盐的再循环地壳混合等其他解释。最简单的解释是，加克尔下方的地幔包含少量但重要的再循环镁质碳酸盐。

将深部碳与古北极俯冲联系起来

地球化学模型表明，在原本贫乏的地幔中加入约1–4%的再循环碳酸盐，就能重现加克尔熔岩的锌同位素、微量元素和锶‑钕同位素特征。这些碳酸盐来自何处？板块重构与地震成像指向一个古老的洋——南阿努伊洋，在早白垩纪（逾1.3亿年前）曾在北极地区发生俯冲。这个消失的洋盆的板片现在位于地幔深部，但它们携带的一些碳酸盐似乎被滞留在上覆的软流圈中。随着地幔岩石缓慢循环，这些富碳酸盐的斑块可以被卷入加克尔脊下的上涌带，使其岩浆在碳和重锌两方面得到富集。

对上地幔的意义

这些发现表明，上地幔的碳含量并非仅受当今将深部碳注入洋脊的热点控制。相反，地幔还保存着古老俯冲带的长期记忆，以散布的再循环碳酸盐囊块的形式存在，且可持续超过1.3亿年。在加克尔脊，这一隐匿的遗产可能促成更深、更富碳的熔融，有助于解释该区出现的深源地震和爆炸性海底喷发等异常现象。更广泛地说，类似过程也可能在其他偏远洋脊和板块内火山下发生，表明再循环的海底碳酸盐是塑造行星深部碳循环的一项重要且此前被低估的因素。

一个简明的结论

通俗地说，本研究表明，今天出现在北极海底火山中的部分碳，最初超过1亿年前以海底碳酸盐沉积的形式存在。这些沉积物被俯冲带拖入地球深处，部分熔融或溶解，随后被储存在北极之下的软流圈中。如今，这些物质正被加克尔脊下上升的岩浆再次利用，提升了其熔岩的碳含量。通过读取这些岩石中锌同位素的“指纹”，科学家们揭示了古老板块运动如何持续影响现代深部碳预算，并间接塑造我们行星的长期行为。

引用: Zhang, WQ., Ding, WW., Liu, CZ. et al. Zinc isotope evidence for extensive carbonate recycling in the Arctic asthenosphere. Nat Commun 17, 4340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71022-w

关键词: 深部碳循环, 加克尔脊, 地幔碳酸盐, 锌同位素, 俯冲再循环