地球深部的氮来自哪里？浙大团队揭开谜底
发布时间: 2024-08-26 08:20:04
作为太阳系中最丰富的元素之一，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储库，氮在地球表面和地幔之间的循环影响着大气演化、气候变迁以及地球的宜居性。那么我们不禁要问，深部地幔中的氮是从哪里来的？地球上活跃的板块构造活动能将多少地球表面的氮带入地球深部？
浙江大学地球科学学院夏群科教授团队通过高温高压实验模拟，研究了沉积物板片深俯冲过程中氮元素是如何迁移的，揭示出板片俯冲对下地幔氮的贡献有限，推测深部地幔的大部分氮是地球形成时期的原始氮。该研究成果于8月14日在Nature Communications发表且被选为亮点论文，论文题目为Inefficient nitrogen transport to the lower mantle by sediment subduction。该论文第一作者为博士生黄伟桦，通讯作者为杨燕教授。
众所周知，地球表面由若干个相互碰撞的板块组成，在这些板块的边界处，较重的海洋地壳会向下俯冲到地幔中，带走大量的沉积物。沉积物是板块俯冲过程中含氮量最高的地球表面物质，因而沉积物中含氮载体的稳定性及其分配行为很大程度上决定着氮的再循环效率。
沉积物氮俯冲过程示意图
团队与中国科学院广州地球化学研究所、中国地质大学（武汉）的学者合作，采用多面砧压机进行高温高压实验模拟，并且结合机器学习分析方法，研究了在10-12 GPa 和 800-1100 °C的压强和温度下，沉积物在含氮体系中的相转化，以及氮在矿物与流体之间的分配行为。
研究发现，含氮体系中的主要矿物多硅白云母的稳定域提高1-3 GPa，并且随着压强升高而转化为钾锰钡矿（K-hollandite）的过程中，氮在矿物与流体之间的分配系数显著降低。这一发现对深部地球化学有着重要意义。过去的研究对地球深部氮的来源存在较大争议，本研究首次揭示了沉积物深俯冲过程中氮的分配行为，结果显示，即使沉积物中携带了大量的氮，在深俯冲过程中也很难完整地保留下来，最终到达深部地幔的只有很小一部分。团队估算每年最多只有1.5×108 kg的氮能被沉积物带入下地幔，即使经过3亿年的板块构造运动，也最多贡献下地幔总氮含量的15%，地球深部的氮元素储库主要还是来自于地球形成初期的原始成分。
该研究获得了国家自然科学基金以及浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室基金的资助。论文链接：https://www.nature.com/ncomms/editorshighlights。
（图片由课题组提供）
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