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news.sciencenet.cn 2026/7/22 19:10
地球硫循�(huán)是何狀�(tài)?研究揭示區(qū)域差異與全球平衡
中新�(wǎng)北京7�22日電(記者孫自法)硫是影響行星宜居性的�(guān)鍵元�。地球特別是地球深部的硫循環(huán)究竟處于什么狀�(tài)?這不僅是理解地球自身演化的基�(chǔ)科學(xué)問題,也�(duì)比較行星�(xué)具有重要啟示,因此備受學(xué)界關(guān)注�
全球海溝系統(tǒng)精細(xì)硫通量核算
記�7�22日從中國科學(xué)院地�(zhì)與地球物理研究所獲悉,該所李繼磊研究員�(lián)合美�、德�、英國等國高校的合作者,通過全球各海溝系�(tǒng)的精�(xì)硫通量核算,首次系�(tǒng)揭示俯沖帶硫輸入在區(qū)域上的強(qiáng)烈不均一性,同時(shí)�(fā)�(xiàn)全球尺度上硫輸入與輸出之間保持著很好的通量平衡,從而為理解地球深部硫循�(huán)提供了重要認(rèn)�(shí)�

宜居地球硫循�(huán)平衡與非宜居火星硫循�(huán)失衡�(duì)比圖(AI生成)。中國科�(xué)院地�(zhì)地球所 供圖
這項(xiàng)揭示地球硫循�(huán)呈現(xiàn)區(qū)域差異與全球平衡的重要研究成果論�,近日在國際�(xué)�(shù)期刊《美國國家科�(xué)院院刊�(PNAS)�(fā)��
論文第一作者和通訊作者李繼磊介紹�,與地球相鄰的金星和火星上,硫以不同形式大量存在——金星大氣中布滿二氧化硫云�,火星表面則遍布硫酸鹽沉積物。反觀地球,表面山清水秀、氣候宜�,并沒有出現(xiàn)硫的過量堆積。一�(gè)廣為接受的觀�(diǎn)�(rèn)�,地球通過板塊�(gòu)造作用,將巖漿火山從深部帶到地表的硫再通過俯沖作用送回地幔,實(shí)�(xiàn)了深部與表層硫的�(dòng)�(tài)循環(huán)�
作為地球�(guān)鍵揮�(fā)分的水和�,此前已開展相對(duì)深入的研�,發(fā)�(xiàn)全球水循�(huán)呈現(xiàn)出明顯的不平�,�(jìn)入地幔的水通量(�11.7億噸每年)顯著高于通過巖漿作用返回地表的水通量(�6.66億噸每年);深部碳循環(huán)則呈�(xiàn)出�(jìn)出平衡的狀�(tài),俯沖帶輸入和巖漿通道輸出的碳通量均在8000萬噸每年左右。不�,同為關(guān)鍵揮�(fā)分的�,目前還缺少可靠的定量約��
從輸入輸出兩�(gè)方面開展研究
李繼磊指�,研究團(tuán)�(duì)從輸�、輸出兩方面開展地球硫循�(huán)研究,首先將全球俯沖體系劃分�32�(gè)俯沖�(19�(gè)侵蝕型和13�(gè)增生�),對(duì)每�(gè)俯沖帶開展控制硫通量的關(guān)鍵參�(shù)的精�(xì)厘定�
沉積物硫含量�,系�(tǒng)篩選全球1500余�(gè)大洋鉆探鉆孔的數(shù)�(jù),構(gòu)建各俯沖帶沉積物硫含量數(shù)�(jù)集;洋殼厚度�,根�(jù)前人收集�234�(gè)地震反射剖面�(shù)�(jù),為32�(gè)俯沖帶逐一建立洋殼厚度�(shù)�(jù)�;蛇紋巖化地幔厚度上,首次系�(tǒng)�(píng)估不同類型俯沖帶下方蛇紋巖化地幔的厚度差��
基于上述�(shù)�(jù),最終研究計(jì)算出全球輸入地幔的總硫通量�5700萬噸±300萬噸每年,其�,俯沖洋殼貢�(xiàn)�71%,沉積物貢獻(xiàn)�22%,蛇紋巖化地幔貢�(xiàn)�7%;區(qū)域差異極為顯�,增生型俯沖帶貢�(xiàn)了全球沉積物硫輸入的�75%,而侵蝕型俯沖帶單�(gè)溝系的硫通量大多低一�(gè)�(shù)量級(jí)�
在輸出方�,研究團(tuán)�(duì)全面�(píng)估了從地幔返回地表的硫通量,包括火山弧、洋中脊和板�(nèi)(熱點(diǎn)、裂�)巖漿作用。三者相加,地幔硫輸出總通量�6000萬噸±1400萬噸每年�
通量估算顯示,輸入通量與輸出通量在誤差范圍內(nèi)高度吻合,表明現(xiàn)代地球深部硫循環(huán)處于近穩(wěn)�(tài)——輸入與輸出通量平衡�
�(duì)地球宜居性也具有啟示意義
李繼磊認(rèn)�,地球深部硫循環(huán)處于近穩(wěn)�(tài),這并不意味著各俯沖帶“收支均衡”。研究顯示,不同俯沖帶的硫循�(huán)效率(弧輸�/板片輸入)從接�0%到接�100%不等,全球平均約�37%�
板片硫輸入量與弧巖漿硫含量之間不存在線性相�(guān)性,暗示弧巖漿的硫富集程度還受熔體體�、氧逸度、板片熱梯度等多種因素調(diào)��
本項(xiàng)研究的另一�(gè)重要�(fā)�(xiàn)是硫同位素的系統(tǒng)性解�,這種“輸入�(fù)、輸出正”的模式在所有俯沖帶中幾乎一�,表明弧巖漿的硫同位素組成并非簡(jiǎn)單繼承自板片,在流體遷移、巖漿上升過程中可能也經(jīng)歷了明顯的改�,其可能的機(jī)制包括硫化物歧化反應(yīng)、地殼混染等�

地球深部硫循�(huán)�(wěn)�(tài)平衡示意圖。中國科�(xué)院地�(zhì)地球所供圖
這次研究�(duì)地球宜居性也具有啟示意義,深部硫循環(huán)的穩(wěn)�(tài)平衡可能是現(xiàn)代宜居地球的重要支撐,這種�(dòng)�(tài)平衡讓地球避開了火星、金星那樣的不宜居環(huán)境,但在更長(zhǎng)的地�(zhì)歷史�(shí)期,情況可能不同。例�,顯生宙大部分時(shí)期海底沉積物覆蓋較薄、俯沖輸入較�,而地幔潛在溫度較高導(dǎo)致巖漿活�(dòng)更強(qiáng),硫循環(huán)可能處于凈輸出狀�(tài)�
李繼磊表�,這種歷史視角有助于理解地球與其他類地行星演化路徑的分�,既為地球深部硫循環(huán)提供了可靠的定量框架,也為�(jìn)一步探索板塊構(gòu)�、揮�(fā)分循�(huán)與長(zhǎng)期氣候演化之間的耦合�(guān)系奠定了基礎(chǔ)�(�)
原標(biāo)題《地球硫循環(huán)是何狀�(tài)?中國科�(xué)家領(lǐng)銜揭示區(qū)域差異與全球平衡�