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地球深部的氮來自哪里?浙大團隊揭開謎底!

發(fā)布時間:2024-08-23來源:浙江大學融媒體中心作者:馬宇丹100

作為太陽系中最豐富的元素之一,氮是生命起源、生物圈形成和演化所必需的元素。研究表明,地幔是地球上氮的主要儲庫,氮在地球表面和地幔之間的循環(huán)影響著大氣演化、氣候變遷以及地球的宜居性。那么我們不禁要問,深部地幔中的氮是從哪里來的?地球上活躍的板塊構造活動能將多少地球表面的氮帶入地球深部?

浙江大學地球科學學院夏群科教授團隊通過高溫高壓實驗模擬,研究了沉積物板片深俯沖過程中氮元素是如何遷移的,揭示出板片俯沖對下地幔氮的貢獻有限,推測深部地幔的大部分氮是地球形成時期的原始氮。該研究成果于8月14日在Nature Communications發(fā)表且被選為亮點論文,論文題目為Inefficient nitrogen transport to the lower mantle by sediment subduction。該論文第一作者為博士生黃偉樺,通訊作者為楊燕教授。

眾所周知,地球表面由若干個相互碰撞的板塊組成,在這些板塊的邊界處,較重的海洋地殼會向下俯沖到地幔中,帶走大量的沉積物。沉積物是板塊俯沖過程中含氮量最高的地球表面物質,因而沉積物中含氮載體的穩(wěn)定性及其分配行為很大程度上決定著氮的再循環(huán)效率。

沉積物氮俯沖過程示意圖

團隊與中國科學院廣州地球化學研究所、中國地質大學(武漢)的學者合作,采用多面砧壓機進行高溫高壓實驗模擬,并且結合機器學習分析方法,研究了在10-12 GPa 和 800-1100 °C的壓強和溫度下,沉積物在含氮體系中的相轉化,以及氮在礦物與流體之間的分配行為。

研究發(fā)現(xiàn),含氮體系中的主要礦物多硅白云母的穩(wěn)定域提高1-3 GPa,并且隨著壓強升高而轉化為鉀錳鋇礦(K-hollandite)的過程中,氮在礦物與流體之間的分配系數(shù)顯著降低。這一發(fā)現(xiàn)對深部地球化學有著重要意義。過去的研究對地球深部氮的來源存在較大爭議,本研究首次揭示了沉積物深俯沖過程中氮的分配行為,結果顯示,即使沉積物中攜帶了大量的氮,在深俯沖過程中也很難完整地保留下來,最終到達深部地幔的只有很小一部分。團隊估算每年最多只有1.5×108 kg的氮能被沉積物帶入下地幔,即使經過3億年的板塊構造運動,也最多貢獻下地??偟康?5%,地球深部的氮元素儲庫主要還是來自于地球形成初期的原始成分。

該研究獲得了國家自然科學基金以及浙江省地學大數(shù)據(jù)與地球深部資源重點實驗室基金的資助。論文鏈接:https://www.nature.com/ncomms/editorshighlights

(文 馬宇丹/圖片由課題組提供)