编者注："Carbonated peridotite"（碳酸化橄榄岩）是指在地球内部某些特殊地质环境下，原本主要由橄榄石、辉石等矿物组成的岩石（称为橄榄岩），由于与富含二氧化碳（CO₂）的流体相互作用，导致碳酸盐矿物（如方解石、菱镁矿等）的形成或富集。这种类型的岩石因此含有较高比例的碳酸盐组分，不同于经典的未碳化的橄榄岩。这类岩石的成因研究对于理解地球深部碳循环、地幔部分熔融过程以及碳在地壳和上地幔中的储存和迁移具有重要意义。在地球科学领域，研究碳化橄榄岩可以帮助科学家探索地球深部的物理化学条件及其对全球碳循环的可能影响。

碳酸橄榄岩：地球的碳锁定机制

橄榄岩与二氧化碳的反应是一种被研究用于二氧化碳地质封存的技术，称为矿化封存。这一过程利用了橄榄岩（一种富含镁和铁的超镁铁质岩石）能够与大气中的二氧化碳（CO₂）发生化学反应的特性。具体来说，当二氧化碳溶解在水中形成碳酸，与橄榄岩接触时，生成碳酸岩化橄榄岩。这些矿物质是稳定的，能够长期将二氧化碳固定在地壳中，从而实现二氧化碳的长期封存。它有潜力成为减少大气中温室气体含量、缓解全球变暖影响的有效手段之一。研究表明，通过特定的技术手段，橄榄岩吸收二氧化碳的效率可以显著提高，甚至达到自然过程的数百万倍。如果能有效利用并扩大这一自然碳汇过程，橄榄岩有可能成为对抗全球变暖的关键工具之一。

图1. 全球岩石圈厚度图(Priestley et al，2024)和碳酸岩位置(Woolley and Kjarsgaard,2008;Liu et al，2023).

无机成因甲烷的奥秘

更为引人注目的是，碳酸化橄榄岩在无机成因甲烷生成中的潜在作用。传统观点认为，甲烷主要由生物活动产生。蛇纹石化过程，作为地质学中一个复杂的自然现象，确实涉及到氢气和甲烷的生成，这一过程主要发生在基性到超基性岩（如橄榄岩）中，当这些岩石与水发生反应时，会形成蛇纹石等矿物。这一转化不仅改变了岩石的物理和化学性质，还伴随着气体的释放，其中氢气和甲烷的生成尤为引人关注。关于蛇纹石化过程甲烷生成的碳源问题，确实存在一定的争议。碳酸化橄榄岩的存在可以为系统提供额外的CO₂，从而参与到第二步反应中，促进甲烷的生成。

地幔与地壳交界处或地壳下部，条件可能允许更复杂的水-岩石相互作用，包括碳酸盐矿物的变质作用或部分熔融过程中，CO₂的释放与后续的化学转化。在此类过渡区域，如果存在适宜的温度、压力条件及还原环境，理论上可存在生成甲烷的化学途径。碳酸化过程中的化学反应也可能独立生成甲烷。这意味着，地壳深处的碳酸化橄榄岩区域可能是地球上一个未被充分认识的无机甲烷来源。这一发现对于理解地球早期生命起源、评估行星宜居性以及探索非传统能源资源具有重要意义。

未来展望

随着对碳酸化橄榄岩及其地质碳汇能力的深入研究，科学家正探索如何通过人为干预加速这一自然碳封存过程，例如通过注入大量二氧化碳至适宜的地层中，促进橄榄岩的碳化反应。这不仅为减少大气中温室气体提供了一条创新途径，也对地质工程学和气候治理策略提出了新的思考。

同时，对无机成因甲烷的研究有助于拓宽我们对地球碳循环复杂性的理解，并可能开启寻找和利用新型清洁能源的大门。尽管这些研究尚处于初步阶段，但它们无疑为人类应对气候变化挑战和探索地球深部秘密开辟了全新的科学视野。碳酸化橄榄岩的研究不仅是地质科学的前沿热点，更是全球气候行动中一颗璀璨的新星，它不仅关乎地球的碳平衡，更可能引领我们走向一个可持续发展的未来。

图2. .碳酸化橄榄岩的SEM图像。反应产物菱镁矿晶体和球形无定形二氧化硅颗粒在未反应的橄榄岩表面形成(放大10000倍（Dario Kremer et al.  2022）

参考资料：

Klein, F., Schroeder, T., John, C. M., Davis, S., Humphris, S. E., Seewald, J. S., ... & Brunelli, D. (2024). Mineral carbonation of peridotite fueled by magmatic degassing and melt impregnation in an oceanic transform fault. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(8), e2315662121.

Decrausaz, T., Godard, M., Menzel, M. D., Parat, F., Oliot, E., Lafay, R., & Barou, F. (2023). Pervasive carbonation of peridotite to listvenite (Semail Ophiolite, Sultanate of Oman): clues from iron partitioning and chemical zoning. European Journal of Mineralogy, 35(2), 171-187.

Menzel, M.D., Urai, J.L., Ukar, E. et al. Ductile deformation during carbonation of serpentinized peridotite. Nat Commun 13, 3478 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31049-1

附表：碳酸盐岩和碳酸岩比较

碳酸盐岩和碳酸岩比较（引自：https://blog.sciencenet.cn/blog-3549522-1435504.html）

火成碳酸岩是一种较为罕见的火成岩类型，它是在地球的地下深处，通过岩浆作用形成并结晶化的岩石。与大多数火成岩（如玄武岩、花岗岩）主要由硅酸盐矿物组成不同，火成碳酸岩的主要成分是碳酸盐矿物，如方解石（CaCO₃）和白云石（CaMg(CO₃)₂）。这些岩石的形成通常与特定的地质环境有关，比如在富含碳酸盐物质的岩浆冷却结晶过程中形成，或是通过岩浆与碳酸盐地层的反应生成。火成碳酸岩的形成条件较为特殊，通常要求有较高的二氧化碳分压环境，这在地球表面并不常见，但在某些地质历史时期的特殊地质事件中可能出现。它们可以提供关于地球深部碳循环、岩浆作用过程以及地质历史时期古环境的重要信息。由于其稀少性，火成碳酸岩的研究对地质学家来说具有很高的科学价值。

参考资料：

Klein, F., Schroeder, T., John, C. M., Davis, S., Humphris, S. E., Seewald, J. S., ... & Brunelli, D. (2024). Mineral carbonation of peridotite fueled by magmatic degassing and melt impregnation in an oceanic transform fault. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(8), e2315662121.

Decrausaz, T., Godard, M., Menzel, M. D., Parat, F., Oliot, E., Lafay, R., & Barou, F. (2023). Pervasive carbonation of peridotite to listvenite (Semail Ophiolite, Sultanate of Oman): clues from iron partitioning and chemical zoning. European Journal of Mineralogy, 35(2), 171-187.

Menzel, M.D., Urai, J.L., Ukar, E. et al. Ductile deformation during carbonation of serpentinized peridotite. Nat Commun 13, 3478 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31049-1