深部碳循环的环境气候效应*

宗克清 何德涛 陈春飞 陈唯 虞凯章 刘勇胜

1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉 430074 2.麦考瑞大学地球和环境科学学院，悉尼 2109

碳(C)被视为“元素之首，生命之根”，其化合物，尤其是大气中的含碳化合物(如CO2、CH4等)调节着全球环境气候变化，为地球的宜居性提供了最根本的保障。大气温度是表征气候的关键指标之一，它与大气中温室气体CO2的浓度密切相关(Crowley and Berner, 2001)。CO2能够有效吸收地球的红外辐射，CO2浓度增加会促使大气温度升高，进而导致冰川消融、海平面上升。相反，大气中CO2浓度显著下降则会引起气温降低，致使地球表面广泛发育冰盖和山岳冰川。工业革命以来由于人类活动的CO2排放量显著升高，全球大气CO2平均浓度连续上升，尤其是近50年来增速更快(图1a)。这导致全球平均气温比工业革命前升高了0.8～1.2℃。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)以现有人类活动的CO2排放趋势(不减排)模拟计算表明(https://www.ipcc.ch/sr15/)，2030～2052年全球平均气温将比工业革命前升高1.5℃，将会导致全球综合性大尺度极端气候灾害事件发生的频率持续增强，会对人类赖以生存的生态环境系统造成显著破坏。地质历史时间尺度上(1～10Myr)的大气CO2浓度变化主要由火山喷发和地表风化共同控制，进而调节全球气候(Lee and Lackey, 2015; Foley and Fischer, 2017; Cooperetal., 2018)。古元古代(2.5～1.8Ga)大气中的CO2浓度可能是现今的23倍，同时含有大量CH4(Sheldon, 2006)，那时地球表面温度可能高达55～85℃(Knauth, 2005)。1.8Ga以后大气中的CO2浓度显著降低，在717～643Ma出现Sturtian冰期。显生宙大气中的CO2浓度在6200×10-6～200×10-6之间波动(Berner, 2006)，与大气温度的变化高度耦合：大气CO2浓度高的时期对应地球的温室气候，而大气CO2含量低的时期与冰室气候对应(图1b)。

太阳系中碳的丰度为3%～4%(Palmeetal., 2014)。由于碳的凝结温度很低，在地球早期的高温高压增生过程中，大量碳逃逸到太空中导致地球的碳含量小于0.1%(Dasgupta, 2013)。地球中超过90%的碳赋存在地球深部(地核、地幔和地壳中)(Hazen and Schiffries, 2013; Orcuttetal., 2019)，而大气中的CO2又只占地表碳含量的1.4%(Sundquist and Visser, 2003)。因此与地球深部过程(构造活动和岩浆作用等地质事件)有关的深部碳循环作用更容易影响到地表碳含量(图2)，进而深刻影响着地球的环境气候变化和生物演化。过去与环境气候相关的碳循环研究重点围绕地球表层圈层展开工作，而对来自深部碳如何循环进入表层系统，如何迁移转化，如何影响环境气候的研究只是在近十余年得到了快速发展。地球深部碳循环是本世纪地球科学兴起的一个热点研究领域，它的快速发展得益于大科学项目的资助。2008年起，在艾尔弗·斯隆基金会(The Alfred P.Sloan Foundation)深部碳观察(Deep Carbon Observatory)项目的资助下，全球科学家开展了十多年的研究。该计划主要聚焦以下基础科学问题(Hazen and Schiffries, 2013)：地球深部储存了多少碳？地球深部碳的储库有哪些？碳在各储库之间如何交换？深部微生物的本质和发展程度如何？甲烷等碳氢化合物是否存在深部非有机质碳的来源？深部有机碳在生命起源中扮演了一个怎样的角色？其中，最关键的科学问题是“含碳相在地球深部各种极端条件下的物理和化学行为”以及“深部碳和地表碳的大规模交换作用”，而后者直接关系到地球宜居环境的形成与保持。该项目2019年在《Deep Carbon: Past to Present》这一专著中对极端条件下(深部地幔、地核)碳的赋存形式及来源、地球深层含碳流体来源和性质以及深部碳的非生物合成和能源、碳在不同储库里的含量以及在不同储库间的通量变化、地球深部生命活动的多样性和分布范围等方面取得的重要进展进行了系统总结(Orcuttetal., 2019)。本文聚焦深部碳循环驱动的环境气候效应，重点介绍与大火成岩省、裂谷和俯冲带有关的深部碳循环对环境气候的影响(图2)。

图2 全球深部碳循环示意图(据Wong et al., 2019修改)

1 大火成岩省的深部碳循环和环境气候效应

大火成岩省是指在相对短暂的地质时间内由于持续或脉动式岩浆作用在板内构造环境中形成的大规模岩浆岩建造。在1994年，Vincent Courtillot由大火成岩省与生物灭绝之间存在密切的时间对应性提出了其与环境气候之间的关联，并随后撰写了《进化灾难》(Evolutionary Catastrophes)(1999)一书。大火成岩省通过岩浆作用直接释放气体(CO2和SO2等)和气溶胶这两种方式影响全球环境气候(Wignall, 2001)：瞬时释放的SO2注入平流层可能引发全球“火山冬天”，类似于核冬天的模型，光合作用因遮光和冷却而减弱(Selfetal., 2005)；而CO2的长期累积释放可能导致随后的气候变暖，即“火山夏天”。另外，大火成岩省形成的近地表侵入岩与富碳(甲烷、煤、碳酸盐岩等)沉积地层发生接触变质作用，导致CO2和CH4等温室气体的大量释放也会进一步造成全球变暖和海洋酸化(Svensenetal., 2004; Burgessetal., 2017)。在这些过程中，CO2扮演着重要的角色，大火成岩省驱动的深部碳循环可以对环境气候造成巨大的影响。

1.1 大火成岩省岩浆来源CO2释放效应

大火成岩省岩浆喷发量巨大，其中溶解的大量碳随着压力降低会析出并释放到地表，从而影响地表环境气候(Palfy and Smith, 2000; Wignall, 2001)。虽然有部分学者认为大火成岩省在其整个活动过程中释放的CO2平均含量并不高，远低于目前的年均人为CO2排放量(Selfetal., 2005; Wignall, 2005)。但是最新的研究估算表明，三叠纪末中大西洋大火成岩省每个岩浆活动期释放到大气中的CO2量与21世纪预计的人为排放量相当(Caprioloetal., 2020)，如此巨量的火山CO2释放显然对三叠纪末的全球变暖和海洋酸化存在一定贡献。Hernandez Navaetal.(2021)通过橄榄石熔体包裹体中CO2含量和微量元素研究发现Deccan大火成岩省早期岩浆更富CO2，并且岩浆的碳饱和与脱气起始于莫霍面附近或下地壳深度，因此早期岩浆脱气可以解释晚白垩世升温事件。另外，Wignall(2005)和Kerr(2005)的研究表明大火成岩省释放CO2的温室效应缓慢地提高了大气和海洋温度，这触发了先前被封存在海底永久冻土和甲烷水合物中甲烷的释放，进一步加剧了温室气候效应。最终，全球变暖会促进海洋缺氧事件和生物栖息地丧失，从而导致生物灭绝(Kiehl and Shields, 2005; Wignall, 2005)。而地表水中CO2浓度的增加会导致水体pH值下降，从而给分泌碳酸盐的生物带来灾难(钙化危机)(Gattuso and Buddemeier, 2000)。

1.2 大火成岩省岩浆-沉积物相互作用与温室气体释放

大火成岩省喷发除了释放岩浆中赋存的碳以外，其携带的巨量热也可活化周围围岩中固存的碳。Ganino and Arndt(2009)认为大火成岩省岩浆侵位会造成破坏性后果的关键控制因素之一是玄武岩下方盆地中沉积岩的类型。岩浆侵入体与周围白云石、蒸发岩、煤或富含有机质页岩的接触变质作用会产生大量温室气体和有毒气体(CO2、CH4和SO2等)，随后排放到大气中会导致全球变暖和生物大灭绝。沉积岩衍生气体的释放对环境的影响可能远大于岩浆气体的排放。Burgessetal.(2017)认为以岩床复合体为特征的大火成岩省比溢流玄武岩和/或岩脉为主的部分更可能引发灾难性的全球环境气候变化。比如，西伯利亚岩床侵入时和富挥发份的沉积物发生接触变质，可能会引起大量温室气体释放，从而导致二叠纪末的气候变化和生物大灭绝(Burgessetal., 2017)。Caprioloetal.(2021)最新的研究发现中大西洋大火成岩省释放的甲烷是岩浆侵位过程中沉积岩直接生成或再活化产生，部分甲烷被包裹在岩浆结晶晚期的石英中，而这些石英晶体中微米尺度的缺陷证明了岩浆-沉积物相互作用过程中巨量(约7.2×103Gt)甲烷的释放，这可能是导致三叠纪末生物大灭绝和全球环境气候变化的重要原因之一。

1.3 影响大火成岩省环境气候效应的因素

大火成岩省可能导致全球变暖和生物灭绝(如西伯利亚大火成岩省, Blacketal., 2018)，也可导致全球变冷(如与Franklin大火成岩省相关的雪球事件，即Sturtian冰川事件, Macdonald and Wordsworth, 2017)。不同的结果可能与以下几个因素有关，包括气候背景条件、不同古地理背景下行星反照率的变化、喷发的纬度、大火成岩省侵位的围岩性质(例如，富硫酸盐的盆地、煤层、古老造山带)和CO2等气体累积释放的时间等(Black and Manga, 2017; Macdonald and Wordsworth, 2017)。Ernst and Youbi(2017)指出大火成岩省的体积大小并不是其环境气候效应的唯一重要因素，所产生的火山碎屑物质和挥发份的扩散速率以及到达平流层的通量也很重要，他们还指出应该综合考虑溢流玄武岩脱气(CO2、SO2和卤素)和岩浆侵位加热特殊沉积岩(如蒸发岩和煤层)所释放的挥发份。Blacketal.(2018)考虑了岩浆释放碳和硫的独立性和综合效应，发现气候与海洋都对长期溢流玄武岩脱气有着强烈响应，并且西伯利亚大火成岩省的碳和硫排放结合在一起导致大气温度、海洋环流和水汽循环在早三叠世向一个趋向于温室气候的系统转变。此外，不同性质大火成岩省岩浆所产生的环境气候效应有所不同。长英质大火成岩省(80%岩石为长英质岩石)被认为与镁铁质岩浆底侵导致的地壳大规模部分熔融有关，薄弘泽和张招崇(2020)认为长英质大火成岩省岩浆活动相对镁铁质大火成岩省的环境气候效应不同，前者能够更好地将SO2气溶胶和火山灰喷射送入平流层吸收太阳辐射，同时大量火山灰能够使海洋富铁，通过光合作用吸收大气中的CO2，从而导致全球降温。Catheretal.(2009)指出显生宙大部分冰室气候与几个典型的长英质大火成岩省具有同时性，表明两者之间可能存在直接的联系。

2 裂谷的深部碳循环与环境气候效应

裂谷是岩石圈中发生强烈拉张变形的区域，其形成演化与地幔对流侵蚀及岩石圈伸展作用相关。裂谷作用会使岩石圈破裂减薄，同时伴随着大规模岩浆活动，导致大量碳从地幔释放，是地球深部碳释放到地表的重要通道，会对环境气候造成显著影响(Bruneetal., 2017; Foley and Fischer, 2017)。

2.1 洋中脊CO2释放对环境气候的影响

现今规模最大的裂谷发育在各大洋的洋中脊上。洋中脊可以通过火山作用释放来自地球深部的碳，大部分以CO2形式进入到海水中(Le Voyeretal., 2019)，而同时新生大洋底部的热液活动会导致海水中的CO2封存在碳酸盐中(Alt and Teagle, 1999; Kerrick and Connolly, 2001; Gillis and Coogan, 2011)。很多情况下碳酸盐中封存的碳会超过洋中脊所释放的碳，这时的洋中脊是一个碳汇(Kerrick, 2001)。而晚中生代和早白垩世的洋中脊扩张速率增加了1.5到2倍，可能导致大量CO2从洋中脊释放出来，从而引起温室效应(Larson, 1991a, b; Berner, 2004)。同时，大火成岩省的频繁侵位也可能会对大洋扩张起到增强作用(Larson, 1991b)，导致大量CO2释放。然而部分学者认为洋中脊CO2通量的变化对全球环境气候的影响有限，只有浅水区或暴露在海平面之上的洋中脊玄武岩脱气作用才会对气候产生影响(Le Voyeretal., 2019)。由于洋中脊岩浆作用在现今的全球岩浆活动中占据着主导地位，必须谨慎地看待洋中脊岩浆作用与大气中CO2含量升高和全球变暖的相关性。

2.2 大陆裂谷CO2释放对环境气候的影响

大陆裂谷分布在被拉张变形的大陆岩石圈内，呈线状分布，是大陆裂解、大洋开启的初始阶段。与洋中脊地区出露拉斑质玄武岩不同，在大陆裂谷两侧普遍发育大量富CO2的火成岩，包括火成碳酸岩和强碱性硅酸岩，如霞石岩、黄长岩、碧玄岩以及对应的侵入岩(Foleyetal., 2012)。大陆岩石圈是一个巨大的碳储库，其中的碳主要有三个来源：岩石圈形成时原始的碳、来自对流地幔的熔/流体长期交代富集以及地幔柱熔体周期性交代作用(Foley, 2008; Foley and Fischer, 2017)。古老克拉通岩石圈地幔的形成可能与岛弧叠加增生作用有关(Leeetal., 2011)，其形成时原始的碳含量约为0.25Mt C km-3(Foley and Fischer, 2017)。随着时间的推移，分别有14～28Mt C km-3和43M t Ckm-3的碳通过对流地幔和地幔柱活动加入到克拉通岩石圈根部，而周期性的固结和重熔再活化，使克拉通根部的碳不断在裂谷之下富集，最终可达150～240Mt C km-3(Foley, 2011; Foley and Fischer, 2017)。大陆裂谷之下的碳可以通过两种方式释放：(1)沿着深大断层被动释放CO2(Leeetal., 2016; Tamburelloetal., 2018)；(2)以富CO2岩浆岩如碳酸岩和碱性岩形式释放(Kjarsgaard and Peterson, 1991; Fischeretal., 2009; Foleyetal., 2012)。Paulsenetal.(2017)发现在埃迪卡拉纪存在一个富CO2的碳酸岩和碱性岩浆作用的高峰，正好对应着Shuram-Wonoka碳同位素负偏(SE事件)。在一个大陆裂谷约40Myr的生命周期中，每年大约有28～34Mt的碳被释放到大气中(Foley and Fischer, 2017)。

大陆裂谷可以向大气中释放大量CO2，故裂谷系统的时空演化会影响地质历史时期的深部碳循环通量和环境气候变化。在地质历史时间尺度上大陆裂谷长度是变化的，这与大陆的离散程度相关(Bruneetal., 2017)。比如：超大陆裂解时的裂谷总长度是现今东非大裂谷的五倍，当时大陆裂谷每年会释放至少140～170Mt的碳(Foley and Fischer, 2017)。超大陆裂解时，大陆裂谷释放CO2的效率高于大洋环境，这是由于大陆岩石圈中积累了大量碳，通过陆地火山活动直接释放到大气中(Ebyetal., 2009)。富CO2岩浆在大陆裂解早期占据主导地位，因此大陆裂谷形成初期便可能导致大气中CO2含量上升。Bruneetal.(2017)通过重建板块构造和裂谷的地质记录计算了中生代(200Ma)以来全球大陆裂谷的长度，发现裂谷长度的演化和古大气中的CO2浓度变化具有明显的相关性(图3)。研究揭示160～100Ma和55Ma至今的两个裂谷发育峰期与温室气体峰值相吻合，在此期间大气中的CO2浓度比现今高出三倍以上(Bruneetal., 2017)。

图3 裂谷对古大气中CO2浓度的控制(据Brune et al., 2017修改)

大陆裂谷是板块构造作用影响短期全球变暖的重要机制，大陆裂谷中CO2的突然释放比例可能会高于弧火山、洋中脊和地幔柱火山活动(Selfetal., 2006; Wongetal., 2019)。地质历史时期地球上广泛发育的大陆裂谷产生的巨量CO2可能是地球温度突然上升的另外一个主要原因。然而，值得注意的是，超大陆裂解之后，由于小陆块具有更强的地表径流而增强风化作用，岩石风化作用的加强反而会导致大气中CO2含量降低，地球温度会长期保持低水平，这被认为是新元古代“雪球事件”发生的主要原因(Donnadieuetal., 2004)。

3 俯冲带的深部碳循环与环境气候效应

虽然目前关于俯冲带碳循环通量的估算结果还存在很大分歧(Dasgupta and Hirschmann, 2010; Kelemen and Manning, 2015; Galvez and Pubellier, 2019; Plank and Manning, 2019)，但是地表碳返回地球深部的途径主要是板块俯冲作用，俯冲带是全球深部碳循环的重要场所(刘勇胜等, 2019)。碳在俯冲板片的释放主要有变质脱CO2作用(Kerrick and Connolly, 2001)、流体溶解作用(Ague and Nicolescu, 2014)、熔融作用(Grassi and Schmidt, 2011)和底辟作用(Behnetal., 2011)等多种形式，这些俯冲板片释放的碳可以进入火山弧岩浆中，也有可能储藏在弧下岩石圈地幔或者深部地壳里(Ague and Nicolescu, 2014; Kelemen and Manning, 2015; Chenetal., 2021)。

早期Marty and Tolstikhin(1998)根据岩浆岩中挥发性元素CO2/3He比值估算汇集板块边界弧火山中80%的碳可能来自于俯冲板片。最近，Masonetal.(2017)揭示大陆弧火山喷发气体中普遍偏重的C同位素组成反映了弧岩浆在地壳里与沉积碳酸盐岩发生的变质脱碳反应。实验岩石学结果也表明岩浆和碳酸盐岩反应是释放CO2的有效形式(Iacono Marzianoetal., 2008; Deeganetal., 2010)。Aiuppaetal.(2017)通过对全球弧火山CO2释放量的系统总结，发现现今全球CO2释放量最高的弧火山地区普遍发育有碳酸盐沉积地层，并且在这些弧岩浆岩中常出露有碳酸盐岩和脱碳产物钙硅酸盐包体。由于大陆板块边缘在地质历史时期发育有广泛的碳酸盐岩台地，大陆弧岩浆在地壳里与碳酸盐岩的变质脱碳反应会对全球温室气候产生显著影响(Leeetal., 2013; Lee and Lackey, 2015; Chuetal., 2019; Ramosetal., 2020)。Johnstonetal.(2011)提出白垩纪大气CO2浓度升高可能与环特提斯洋弧岩浆与碳酸盐岩台地的高效率脱碳反应有关。Leeetal.(2013)发现白垩纪和古新世全球大陆弧的长度是现今的两倍(约33000km)，并且主要发育在碳酸盐岩台地区域，估算这些大陆弧火山的CO2排放量可能是现今全球碳排放的3～5倍，以此提出大陆弧火山作用可能是驱动白垩纪和古新世全球温室气候的重要原因(Leeetal., 2013; Lee and Lackey, 2015)。另一方面，大陆弧岩浆活动具有脉动性的特征(de Silvaetal., 2015; Duceaetal., 2015; Paterson and Ducea, 2015)，其峰期弧岩浆产出量是宁静期的100～1000倍(Paterson and Ducea, 2015)，因此大陆弧岩浆活动强烈时以CO2释放为主，导致前文所述的温室气候，而随后的大陆弧岩浆宁静期以风化作用为主导，消耗大气中的CO2而诱发冰室气候(Leeetal., 2015; Jiang and Lee, 2019)。大陆弧的几何形态和地理位置对地表风化强度十分敏感，鉴于大陆弧是由弧岩浆岩堆积形成，而且洋壳俯冲过程中会不断挤压上覆板块形成叠瓦状构造(Cawoodetal., 2009)，这两种地质过程均会使大陆边缘不断隆升(Chapmanetal., 2015; Dielforderetal., 2020)，进而在大陆弧岩浆宁静期提供更多的物质加剧风化剥蚀作用(Leeetal., 2015; Jiang and Lee, 2017)。硅酸盐岩石风化会向周围水系中释放大量阳离子(如Ca2+，Mg2+等)，这些阳离子最终会吸收大气中的CO2形成碳酸盐沉积被封存在大陆边缘(Beerlingetal., 2020)。在这些碳酸盐沉积及成岩过程中，部分有机碳也可以被埋藏进入地壳深部(Leeetal., 2018)。Gernonetal.(2021)发现大陆弧长度与海水的Sr同位素组成具有显著的正相关性，而后者是地表风化强度的重要指标(Batailleetal., 2017)。新元古代以来大陆弧岩浆活动强弱变化规律与冰期-间冰期交替出现的时间高度一致(McKenzieetal., 2016; Caoetal., 2017)(图4)，进一步验证了俯冲带大陆弧岩浆活动和风化作用可以协同驱动地质历史时期全球环境气候变化(Leeetal., 2015)。

图4 全球成冰纪(Cryogenian)以来沉积物中年轻碎屑锆石年龄统计结果揭示的大陆弧活动强度与气候和大气CO2浓度变化的耦合关系(据McKenzie et al., 2016修改)

值得注意的是大陆架(Read, 1982; Pomar, 2001)和陆缘海覆盖的克拉通(Aurelletal., 1995)都可以沉积巨量碳酸盐岩，形成碳酸盐岩台地。广阔的远洋盆地中散布着海山，现今的海底可能有两万四千多座潜在的海山(Kim and Wessel, 2011)。由于海山高于海底，大多数海山都在碳酸盐补偿深度以上，并沉积有碳酸盐岩，有时它可以积累到千米厚(Uenoetal., 2003)。实验岩石学表明这些纯的碳酸盐岩固相线明显高于碳酸盐化泥岩(Chenetal., 2021)，而且它们的密度显著小于地幔，在俯冲过程中可以发生底辟作用，导致大量的碳储存在汇聚板块边缘的地幔楔中，形成一个在前人研究中被忽略的、但非常重要的碳储库(Chenetal., 2021)。这些碳或许不会“立即”对地表环境气候产生影响，但其后期活化可显著影响地表环境气候。Liuetal.(2021)发现华南九龙湾剖面陡山沱组Shuram负偏(SE)地层的矿物学(高温自形石英)和地球化学特征(微量元素、C-O同位素)与高温岩浆作用有关，认为埃迪卡拉纪SE事件可用再循环碳酸岩火山沉积模型来解释。新元古代Rodinia超大陆裂解一方面导致地表径流增加和大规模玄武岩喷发，促进巨量沉积碳酸盐岩形成；另一方面板块边界总长度增加使板块俯冲规模增大，显著增加了碳酸盐岩俯冲的数量。碳酸盐岩在俯冲带浅部难以熔融，但会发生底辟作用而储存在地幔楔中(Chenetal., 2021)。因此，一旦构造环境从俯冲相关的挤压环境转变为伸展环境，软流圈上涌就可能触发储存在地幔楔中的碳酸盐层发生大规模熔融和火山喷发，快速形成负δ13C碳酸岩火山灰沉积层。Rodinia超大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合期间，大规模的板块俯冲作用携带大量碳酸盐岩在俯冲带的地幔楔内底辟堆积(图5a)，后期的构造转换引起这些碳酸盐岩熔融和大规模的碳释放(图5b)，这可能是埃迪卡拉纪时期冰期和间冰期伴随碳酸盐碳同位素正偏和负偏交替出现的重要因素。

图5 碳酸盐岩在俯冲带发生脱碳、熔融与喷发再沉积模型(据Liu et al., 2021修改)

除了上述的大火成岩省、裂谷和俯冲带火山和岩浆作用可将地球深部的碳释放到地表进而影响到环境气候变化之外，扩散作用释放的碳对地表环境气候也可能具有重要影响(Kelemen and Manning, 2015; Fischeretal., 2019)。扩散作用是现今深部碳释放的重要形式(Werneretal., 2019)，其通量可达弧火山的两倍(Plank and Manning, 2019; Werneretal., 2019; Fischer and Aiuppa, 2020)。但是地质历史时期不同构造环境下扩散作用导致深部碳释放的通量还很难准确估算(Burtonetal., 2013; Bekaertetal., 2021)，其对深部碳释放的效率和环境气候的影响程度还有待进一步的研究。

4 未来展望

(1)地球深部碳循环通量和碳同位素组成的定量描述，是我们认识深部碳循环对地表环境气候影响的基本前提。目前的研究虽然估算了不同构造背景下深部碳释放的通量，但是不同研究者获得的结果差异很大。未来我们需要对大火成岩省、裂谷和俯冲带的碳通量开展更为准确的定量工作，查明不同时空尺度和构造背景下深部碳循环通量的差异性及其对环境气候效应的影响。同时，由于碳赋存形式的多样性和碳同位素分馏机制的复杂性，深部碳的同位素组成研究需要加强。地球地质历史时期沉积物中记录有多次碳同位素负偏事件，被认为是大量深部轻碳(富12C)被带入到地球表层系统，但是多次碳同位素正偏事件也被认为和火山活动有关。对深部释放碳的碳同位素组成差异性的准确制约是解决这一分歧的重要前提。

(2)深部碳循环驱动环境气候效应的研究除了聚焦碳元素本身，还需要关注除了碳以外其他挥发性元素和有害金属元素的综合效应。火山活动(包括大火成岩省、裂谷和俯冲带的岩浆活动等)不仅释放CO2等温室气体，同时会释放硫、卤素、汞、砷等，它们引起的环境气候效应会存在很大的差异。比如，大量CO2的释放，可以形成温室效应，引起地表温度的升高，但是，大量硫元素的释放，在大气中形成气溶胶，会引起地表温度的降低(“火山冬天”)。同时，大量卤族元素的释放，可以引起臭氧层的破坏，从而引起陆地圈层生物的危机。大量有害金属元素的释放，会引起水圈和生物圈的毒化。所以开展深部地质过程释放的各种挥发性元素和有害金属元素对地表环境气候影响的综合性研究，对全面理解深部碳循环对地表环境气候的影响至关重要。

(3)俯冲带作为全球壳-幔相互作用和物质交换循环最重要的场所，应该是未来进行深部碳循环观察和环境气候效应研究的重点。我们应该聚焦碳在俯冲带中的行为和效应这一关键科学问题，开展深入的多学科交叉研究，查明不同类型俯冲板片中碳的赋存形式和储量及其在地质历史时期的变化规律，揭示碳在俯冲带壳幔相互作用过程中的迁移规律，加强俯冲作用加碳和岩浆作用脱碳之间的协同研究，最终阐明板块构造俯冲体系中碳释放机制及其浅表的环境气候效应。

致谢感谢许成研究员、陶仁彪研究员以及一位匿名评审人对本文提出的宝贵意见；感谢郭京梁副教授、楚道亮副教授、沈俊研究员以及袁禹博士在论文撰写过程中给予的帮助。