SA：寒武纪生命大爆发对地球深部碳循环的扰动( 二 ) 地球表层系统容易受到深部地

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图3世界范围内金伯利岩和方解霞黄煌岩的C、Hf、Sr同位素组成对比（改自Giulianietal.,2022）
另外，作者分析认为来自于低δ13C值页岩或类似岩性围岩的富CO2流体对地壳的混染作用在降低全岩13C/12C值的同时也会增加δ18O值到地幔值以上。分析结果表明，小于250Ma的金伯利岩具有低于地幔值的δ13C值，却表现出类似于地幔（LadeGras）和特别重（SouthAustralia）的δ18O值，这些金伯利岩中δ13C和δ18O值之间没有统计学上的明显相关性（图4）。这些观察表明，由高δ13O流体导致的地壳污染可能仅在局部产生影响，而不能控制全球金伯利岩的δ13C组成。

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图4金伯利岩和方解霞黄煌岩的碳和氧同位素组成。每个数据点代表了多次分析的平均值，绿色条形显示的是地幔δ13C和δ13O值变化范围（δ13C=-5±1‰,δ13O=7.5±1.5‰）（Giulianietal.,2022）
最后，作者通过分析发现全岩δ13C值、初始176Hf/177Hf比值及钙钛矿初始87Sr/86Sr比值在统计学上具有很好的相关性（图3）。此外，混合模型和质量平衡计算结果表明，含有高达10%～15%的变质或部分去挥发分化的海洋沉积物（含有13C值成因最合理的解释。
那么问题在于，地球表面经历了怎样的过程才导致了这样的变化呢？作者通过系统地分析发现，金伯利岩中碳同位素在250Ma开始变轻与金伯利岩喷发频率的显著增加一致（图5A、图5B），这通常被认为与显生宙以来板块冷俯冲的开始有关。但是，板块俯冲热状态的改变无法解释碳同位素的扰动。此外，传统观点认为的碳酸盐岩和蚀变洋壳（含有机碳的比例不足20%）的俯冲无法提供充足的有机碳，并且碳酸盐在弧前或弧下位置会被有效剥离（Tumiatietal.,2020）。相反，在高压下，还原性有机碳（石墨/金刚石）在流体和板片熔体中的溶解度很低，限制了其从俯冲沉积物中的提取。最近一项关于沉积记录中有机碳含量的研究表明，元古宙-显生宙转换期（寒武纪生命大爆发之后）有机碳沉积显著增加（图5C）（SperlingandStockey,2018），这可以很好地解释显生宙沉积有机碳俯冲至下地幔的较高通量。需要注意的是，虽然寒武纪生命大爆发后有机碳沉积和俯冲的增加可将轻碳引入深部地幔，但从寒武纪生命大爆发到～250Ma之后金伯利岩的碳同位记录的负漂移中间大约有300Ma的滞后（图5）。作者认为这一滞后与地球动力学模拟结果吻合，即俯冲板块大约需要250-300Ma才能俯冲至核幔边界并通过地幔柱相关的岩浆活动返回地表。这解释了地球表面生物地球化学变化（寒武纪生命大爆发）与金伯利岩记录的深部碳循环扰动之间的时间差。因此，寒武纪生命大爆发导致了有机碳埋藏和俯冲通量的增加，进而引起后期深部碳循环的明显变化，并被小于250Ma的金伯利岩所记录。该研究通过深部地幔来源的金伯利岩构建了地球表层和深部碳循环之间的桥梁，并为全球碳循环研究提供了一个全新视角。
【SA：寒武纪生命大爆发对地球深部碳循环的扰动】图510亿年（1000Ma）以来金伯利岩碳同位素组成、爆发频率及页岩中总有机碳含量的比较。（A）金伯利岩和方解霞黄煌岩（aillikite）碳同位素组成（来源于图1）；（B）每50Ma金伯利岩爆发次数（19）；（C）每50Ma页岩中总有机碳（TOC）变化（Giulianietal.,2022）
主要参考文献
GiulianiA,DrysdaleRN,WoodheadJD,etal.Perturbationofthedeep-EarthcarboncycleinresponsetotheCambrianExplosion[J].ScienceAdvances,2022,8(9):eabj1325.