將富鎂、鐵、鈣等二價(jià)離子的礦物和二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鹽的礦物碳酸鹽化，不僅是自然界形成顯著碳匯的主要過(guò)程，也是地質(zhì)碳封存的潛在技術(shù)手段?；?超基性巖里的橄欖石、輝石、角閃石和斜長(zhǎng)石等是常見(jiàn)的富鎂、鐵、鈣的礦物，且它們易于反應(yīng)，其碳酸鹽化最為高效。但是，目前對(duì)于除橄欖石外其它礦物碳酸鹽化反應(yīng)的認(rèn)識(shí)還相對(duì)有限。此外，基性礦物蝕變時(shí)鐵可能會(huì)發(fā)生氧化，這時(shí)水會(huì)被還原成氫氣，這些氫氣可以進(jìn)一步和二氧化碳通過(guò)費(fèi)托類(lèi)反應(yīng)合成甲烷等烷烴；蛇紋石化就是這樣的一個(gè)典型實(shí)例。在基性礦物碳酸鹽化時(shí)，也有可能通過(guò)類(lèi)似的過(guò)程合成非生物甲烷。由于甲烷不僅顯著影響碳的地球化學(xué)循環(huán)，還是全球變暖效應(yīng)數(shù)十倍于二氧化碳的溫室氣體，因此限定不同基性礦物碳酸鹽化時(shí)甲烷合成的情況十分重要，然而目前對(duì)這方面的研究還十分缺乏。
針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所巖石學(xué)學(xué)科組張龍副研究員、王強(qiáng)研究員及其合作者近期對(duì)大別山碰撞后輝石巖內(nèi)不同基性礦物中的流體包裹體進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)研究。這些碰撞后輝石巖地幔源區(qū)含有再循環(huán)的碳酸鹽組分，其結(jié)晶時(shí)不僅形成了方解石，還出溶了富二氧化碳的巖漿流體，被橄欖石、輝石、角閃石和磷灰石等礦物捕獲形成流體包裹體（圖1和2）。當(dāng)輝石巖發(fā)生緩慢冷卻后，和流體包裹體接觸的寄主基性礦物變得不穩(wěn)定，發(fā)生原位碳酸鹽化反應(yīng)，而磷灰石內(nèi)的流體包裹體則保持不變。流體包裹體內(nèi)，橄欖石碳酸鹽化生成了菱鎂礦、滑石、磁鐵礦和甲烷；斜方輝石碳酸鹽化主要生成了菱鎂礦、滑石、方石英和甲烷；單斜輝石碳酸鹽化生成了方解石、白云石、陽(yáng)起石、滑石、方石英/石英和甲烷；角閃石碳酸鹽化主要生成了方解石、白云石、綠泥石、云母、滑石、方石英/石英、金紅石、鈉長(zhǎng)石同質(zhì)異象和甲烷。
在上述觀察的基礎(chǔ)上，通過(guò)質(zhì)量平衡限定了流體包裹體內(nèi)不同基性礦物碳酸鹽化的反應(yīng)。自然界和地質(zhì)碳封存時(shí)的礦物碳酸鹽化可能會(huì)發(fā)生和上述流體包裹體內(nèi)相似的反應(yīng)，產(chǎn)生類(lèi)似的次生物相。而且上述碳酸鹽化反應(yīng)都是包含鐵鎂固溶體的滑動(dòng)反應(yīng)，因此這些反應(yīng)不僅適用于大別山輝石巖這種基性巖體系，也適用于橄欖巖等超基性巖體系。此外，上述流體包裹體中甲烷的存在表明，不同基性礦物在富二氧化碳流體存在的情況下發(fā)生高程度碳酸鹽化時(shí)，仍能發(fā)生鐵的氧化并合成甲烷，而并非如前人認(rèn)為的那樣二價(jià)鐵會(huì)快速進(jìn)入碳酸鹽不發(fā)生氧化。橄欖石碳酸鹽化時(shí)鐵的氧化主要通過(guò)生成磁鐵礦發(fā)生，而輝石和角閃石碳酸鹽化時(shí)不生成磁鐵礦。電子能量損失譜分析表明次生含水礦物具有比輝石和角閃石更高的三價(jià)鐵含量，因此輝石和角閃石碳酸鹽化時(shí)鐵的氧化受含水礦物控制。通過(guò)對(duì)比鐵的氧化程度，可以發(fā)現(xiàn)橄欖石碳酸鹽化時(shí)二氧化碳還原為甲烷的比例最高，輝石次之，角閃石最低?？傮w而言，不同基性礦物碳酸鹽化時(shí)能合成一定的非生物甲烷，這可能會(huì)影響碳的地球化學(xué)循環(huán)；而在地質(zhì)碳封存時(shí)則需要通過(guò)選擇合適的反應(yīng)物和反應(yīng)條件以盡量避免甲烷的產(chǎn)生。
圖1 大別山輝石巖中不同基性礦物和磷灰石里流體包裹體的顯微照片。
圖2 大別山輝石巖中不同基性礦物里流體包裹體的拉曼面掃圖，比例尺為20微米。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國(guó)際地球化學(xué)知名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。該研究獲得了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)（XDB41000000）以及國(guó)家自然科學(xué)基金（42021002和42172057）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息：Zhang L. (張龍), Wang Q. (王強(qiáng)), Xian H. (鮮海洋), Zhou J.-S. (周金勝), Ding X. (丁興), Li W.-C. (李萬(wàn)才), 2023. Carbon mineralization and abiotic methane synthesis within fluid inclusions in mafic minerals from postcollisional pyroxenite. Geochimica et Cosmochimica Acta 356, 38–50.
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