作為太陽(yáng)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(chǔ)庫(kù)，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(wèn)，深部地幔中的氮是從哪里來(lái)的？地球上活躍的板塊構(gòu)造活動(dòng)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(tuán)隊(duì)通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M，研究了沉積物板片深俯沖過(guò)程中氮元素是如何遷移的，揭示出板片俯沖對(duì)下地幔氮的貢獻(xiàn)有限，推測(cè)深部地幔的大部分氮是地球形成時(shí)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(diǎn)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(gè)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(huì)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(guò)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(guò)程示意圖

團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）的學(xué)者合作，采用多面砧壓機(jī)進(jìn)行高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并且結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)分析方法，研究了在10-12 GPa 和 800-1100 °C的壓強(qiáng)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(qiáng)升高而轉(zhuǎn)化為鉀錳鋇礦（K-hollandite）的過(guò)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(duì)深部地球化學(xué)有著重要意義。過(guò)去的研究對(duì)地球深部氮的來(lái)源存在較大爭(zhēng)議，本研究首次揭示了沉積物深俯沖過(guò)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(guò)程中也很難完整地保留下來(lái)，最終到達(dá)深部地幔的只有很小一部分。團(tuán)隊(duì)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(guò)3億年的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，也最多貢獻(xiàn)下地?？偟康?5%，地球深部的氮元素儲(chǔ)庫(kù)主要還是來(lái)自于地球形成初期的原始成分。

該研究獲得了國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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）