广州地化所-德国合作研究在全球氮演化方面取得新进展

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发表时间: 2017-12-18 09:28:01 单位: 广州地化所


近期,德国Bayreuth大学Ananya Mallik博士,广州地化所李元博士等,利用李元等人2013年发展的高温高压实验技术(Li  et al. 2013 EPSL)以及李元和Michael Wiedenbeck等人2015年开发的电子探针以及离子探针测试硅酸盐玻璃中氮含量方法(Li et al. 2015 EPSL),用高温高压实验研究了氮在俯冲板片部分熔融所产生硅酸盐熔体中的溶解度。

    氮是宇宙中最富集的元素之一,是地球大气圈的主要组成元素,也是生命起源、生物圈形成和演化所必需的元素。然而,由于氮在地质样品中含量极低以及由此带来的超高分析难度,共同导致氮是目前固体地球科学中被研究最少的挥发性元素。这也导致我们对氮的地球化学行为了解非常有限。这主要突出表现在以下几个重大科学问题上:(1)地球氮的来源是什么?(2)早期地球地幔氮同位素组成是什么,地球地幔氮同位素组成在地质历史时期中是如何演变的?(3)地球早期大气圈中的氮含量是多少?大气圈中的氮含量在地质历史时期中又是如何演变的?(4)全球俯冲带中氮是如何循环的? 

  为了能够回答上述一些问题,德国Bayreuth大学Bayerisches Geoinstitut的Ananya Mallik博士,广州地化所李元博士以及德国Deutsches GeoForschungZentrum GFZ的Michael Wiedenbeck博士开展了合作研究。利用李元等人2013年发展的高温高压实验技术(Li  et al. 2013 EPSL)以及李元和Michael Wiedenbeck等人2015年开发的电子探针以及离子探针测试硅酸盐玻璃中氮含量方法(Li et al. 2015 EPSL),Ananya Mallik 高温高压实验研究了氮在俯冲板片部分熔融所产生硅酸盐熔体中的溶解度。这些氮溶解度实验数据可以用来约束俯冲带板片部分熔融过程中所能释放的氮通量(flux)。然而现代俯冲带中,大部分板片都是以变质脱水为主而非部分熔融为主,因此俯冲板片中到底有多少氮可以保留并俯冲到地球深部,又有多少氮会随着变质流体再循环到地幔楔中,很大程度上也取决于板片变质流体所能携带的氮通量。为此,利用其2014年发表的氮在流体中存在形式(speciation)的高温高压实验数据(Li and Keppler, 2014 GCA),李元计算了不同温度-压力-氧逸度条件下和俯冲板片相平衡的变质流体中的氮含量。然后,Ananya Mallik和李元利用这些“熔体”模型和“流体”模型,计算了全球55个俯冲带中氮的循环效率。结果发现,全球俯冲带中,45-75%的俯冲板片氮会俯冲到地球深部,只有25-55%的氮再循环到地幔楔中。这一结果对地球早期地幔氮同位素组成以及地球早期大气圈氮含量有着重要意义。Ananya Mallik和李元限定出,地球早期地幔15N/14N可能比现代地球地幔要低,早期地球地幔平均δ15N低至-7‰(现代地球地幔平均δ15N为-5‰)。另外,30-40亿年前地球大气圈氮含量可能是现代地球大气圈氮含量的1.4-1.6倍。高的大气圈氮含量有利于加强CO2温室气体效应,从而有利于早期地球保持一个相对温暖的环境,有利于早期生命的孕育,也可以帮助解决著名的气候问题faint young Sun paradox。 

  论文发表在Earth and Planetary Science Letters上,李元博士的研究受国家自然科学基金面上项目资助(氮在类地行星及月球岩浆海中的溶解和分配行为);论文链接http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X17306891。 

  

 

  图1. 地幔中循环氮所占的百分比(a),地球早期地幔氮同位素组成,以及地球早期大气圈氮含量。


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