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(gòu)造活動能將多少地球表面的氮帶入地球深部？

浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院夏群科教授團隊通過高溫高壓實驗?zāi)M，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(zhì)，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(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）的學(xué)者合作，采用多面砧壓機進行高溫高壓實驗?zāi)M，并且結(jié)合機器學(xué)習(xí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)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(jié)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(jīng)過3億年的板塊構(gòu)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(xué)基金以及浙江省地學(xué)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）