地球的表生碳循环以天-千年时间尺度在大气、海洋、生物圈和表层沉积物间进行，直接影响地球的短期宜居性。在百万年时间尺度上，一般认为大气-海洋系统中的二氧化碳（CO₂）来源主要是俯冲带火山弧、大洋中脊、大陆裂谷和大型火成岩省中的火山和/或变质脱气作用，而CO₂消耗主要受大陆、洋壳的硅酸盐岩风化作用控制(Berner, 1991)。表生系统的碳通过俯冲带的板片俯冲进入地幔，参与以百万-亿年时间尺度在岩石圈、地幔和地核间进行的深部循环（图1）。地球上99%以上的碳存储在地球内部圈层，因此，作为连接表生和深部碳循环系统主要纽带—俯冲带，其在地质历史不同时期的活动强度，可对碳在各圈层内的运移、富集、封存，尤其是大气-海洋系统中CO₂含量的变化、气候基线的建立，和地球长期宜居性的演化产生了深远的影响 (Lee et al., 2019)。目前，针对俯冲带碳循环的研究主要集中在对现代火山排气、化学风化 、海沟沉积物通量的观测，以及俯冲板片脱碳的实验岩石学、地幔热动力学模拟等领域，对碳的现代过程已经有了较深入的认识(Müller et al., 2022; Plank and Manning, 2019)。但对于地质历史时期俯冲带中各种地质过程之间的相对贡献、相互联系和反馈，及其如何驱动长期碳循环和地球气候演化，仍存在较多的争议，主要原因是缺少相关的地质记录，对已有地质记录的解读也存在很多争论。

大陆弧形成于洋-陆俯冲带的活动大陆边缘，通常在约 50 Myr（百万年）的时间窗口内经历大规模岩浆爆发事件(magmatic flare-up)(DeCelles et al., 2009)。岩浆在侵入地壳的过程中传递了大量的物质和热量，直接影响整个活动陆缘的地壳生长、大地构造演化和碳收支。大陆弧两侧常伴随接受大量碎屑物质的弧前和/或弧后盆地，指示其经历了强烈的剥蚀作用（图1）。大陆弧以大规模、节律性的岩浆大爆发为特性，其岩浆产出和地表剥蚀可能是几十-百万年时间尺度上全球大气CO₂变化的主要驱动力(Lee and Lackey, 2015)。近年来的一些研究表明，全球大陆弧的活动性和地质历史上的热室和冰室气候转换有较强的相关性，继而引发了一系列关于大陆弧演化对长期碳循环调控作用的探讨(Gernon et al., 2021; Lee and Lackey, 2015; McKenzie et al., 2016; McKenzie and Jiang, 2019)。前人的研究中，大部分学者对上述科学问题的评判往往局限于大陆弧的单一地质过程，如着眼于岩浆和变质作用的学者认为由于构造去气作用，大陆弧是大气的主要碳源；研究构造活动带剥蚀作用的学者则认为大陆弧主要通过改变全球化学风化来驱动碳汇的变化。对于大陆弧在长期碳循环中扮演的角色究竟如何，解决方案之一是厘定大陆弧由于岩浆和剥蚀的共同作用带来的长期碳通量变化。Jiang et al. (2017, 2019, 2022)以美国南加州半岛岩基为例，从晚白垩-早始新世弧前盆地沉积记录入手，探索了大陆弧剥蚀作用与岩浆爆发作用的内在联系，及其导致的大陆弧演化过程中的整体碳收支变化。

图1 大陆弧演化过程中俯冲、岩浆和剥蚀作用对长期碳循环影响示意图.

半岛岩基（Peninsular Ranges Batholith）在侏罗纪-白垩纪时期由Farallon大洋板片向北美板片俯冲过程中形成，为北美科迪勒拉弧的一部分。半岛岩基以长英质侵入岩为主体，其岩体出露面积和锆石U−Pb年龄数据特征表明，半岛岩基的岩浆大爆发期主要为125−75 Ma，于~100 Ma达到峰期（图2a, b）。与半岛岩基相毗邻的弧前盆地主要由白垩纪−早新生代的浅海相和陆相碎屑岩组成，岩相学与碎屑锆石U−Pb年龄显示，晚白垩世−早始新世形成的沉积物中主要碎屑物质来源于半岛岩基的侵入岩，代表着半岛岩基的剥蚀产物（图2c）。

图2 美国加州半岛岩基岩浆作用和弧前盆地沉积概况. 2a 半岛岩基地质图；2b 半岛岩基岩浆添加速率；2c 半岛岩基岩浆岩锆石和弧前盆地锆石U−Pb年龄直方图和累积概率图。改自Jiang and Lee (2017).

活动陆缘地壳的剥蚀速率如何变化，与岩浆爆发作用是否存在内在联系，一直是难以解决的问题。主要原因包括：1）活动陆缘的沉积盆地中沉积地层经历多期构造改造，地层缺失，沉积物厚度难以恢复；2）由于大陆弧的持续岩浆作用带来的热量，传统热年代学方法受矿物封闭温度的限制无法提取有效的地表过程信息。根据半岛岩基弧前盆地沉积物为岩浆弧侵入岩的主要剥蚀产物这一特征，Jiang and Lee (2017)提出了利用弧前盆地碎屑角闪石Al温压计和碎屑锆石分别示踪被剥蚀侵入岩的岩浆侵位深度和结晶年龄，并结合沉积年龄，计算大陆弧剥蚀速率的新思路（图3a）。Jiang and Lee (2017)提取了弧前盆地晚白垩−早始新世沉积物中的碎屑锆石和碎屑角闪石，分别进行了LA-ICPMS的U−Pb定年和EPMA主量元素测量。研究结果显示碎屑锆石U−Pb年龄峰期主要集中在105−95 Ma，碎屑角闪石显示的压力峰值为2.7−3.7 kbar，对应10−15 km的最小剥蚀深度。对研究区岩浆弧剥蚀速率的计算表明，半岛岩基大陆弧岩浆爆发期间，剥蚀速率与岩浆侵入速率（或通量）的量级相当，同为~1 km³/km²/Myr，但剥蚀速率的高峰期相较岩浆侵入高峰期滞后约4 Myr（图）。此外，剥蚀速率在岩浆活动结束后的几十个百万年内仍旧可维持在1−0.1 km³/km²/Myr的较高水平（图3b）。

根据半岛岩基晚白垩世−早始新世期间的岩浆侵入速率与剥蚀速率的关系，结合质量守恒和地壳均衡数值模型，可推断岩浆爆发导致了造山作用，在高峰期后10 Myr内，地壳整体增厚超过30 km，海拔增加可高达5 km（图3c）(Jiang and Lee, 2017)。这种强烈的地壳增厚和海拔隆升驱动了整个大陆弧地区的快速剥蚀作用。在岩浆爆发减弱至停止期间，由于大陆弧仍处于较高海拔状态，快速剥蚀得以在随后的50百万年间持续进行，直至将由岩浆造山作用形成的“过剩“厚度或高程逐渐去除（图3c ）。

图3美国加州半岛岩基大陆弧岩浆-剥蚀过程的相互联系及其对大陆弧地壳演化的作用. 3a利用碎屑温压计和年代计量化岩浆弧剥蚀速率示意图；3b-c 半岛岩基白垩-早始新世岩浆添加速率、剥蚀速率、地壳厚度和海拔高度演化历史。改自Jiang and Lee (2017).

前文提到大陆弧的演化过程中伴随着由岩浆作用驱动的造山和由剥蚀作用主导的造山带消亡，由这两个过程驱动的碳通量在大陆弧整个演化周期内如何变化，目前缺乏相关的研究，主要原因：1）缺少岩浆侵入速率和剥蚀速率的约束；2）由于大陆弧本身化学成分的复杂性导致化学风化信息难以识别和量化。在Jiang and Lee (2017)对半岛岩基大陆弧剥蚀速率厘定的基础上，Jiang and Lee (2019)对弧前盆地沉积物进行了全岩地球化学分析，探讨了晚白垩−早始新世期间半岛岩基的化学风化变化。

一般认为，在地质时间尺度上，大气中的CO₂主要通过陆地岩石经硅酸盐风化反应释放Ca、Mg等活动性元素离子，搬运至海洋中沉积为碳酸盐岩这一过程实现封存。因此硅酸盐风化可导致剥蚀产物的活动性（Ca、Mg等）和非活动性元素（Ti、Zr等）比值偏离母岩的岩浆演化地球化学趋势线，而活动性元素的亏损速率也可转换为长期碳消耗速率。Jiang and Lee, 2019的研究结果表明，弧前盆地沉积物的地球化学行为演化符合典型的化学风化演化趋势（图4a）。根据弧前盆地沉积物的全岩主微量元素含量，通过质量守恒原理计算出半岛岩基弧前盆地沉积物（剥蚀产物）中相对半岛岩基侵入岩（母岩），由于化学风化，Ca损耗了50−90%（图4b）。表明这段时期的剥蚀作用伴随着较高化学风化强度。结合剥蚀速率，可计算出半岛岩基自晚白垩世至始新世早期的Ca风化通量，或CO₂ 消耗率为（0.5−2.2）×10⁶ mol/km²/yr（图 5a）。由于总剥蚀速率对化学风化通量起着主要的控制作用，化学风化或 CO₂ 消耗的峰期发生在岩浆活动峰期后的几个百万年间（图a）。

图4 美国加州半岛岩基弧前盆地晚白垩−早始新世沉积物全岩地球化学成分与硅酸盐风化强度. 4a 全岩A–CN–K投图和化学蚀变指数（CIA）演化趋势；4b 剥蚀产物相对于侵入岩母岩的Ca亏损。改自Jiang and Lee (2019).

此外，Jiang and Lee (2019)研究中利用现代火山去气过程的类比方法，估算出半岛岩基岩浆大爆发期的岩浆CO₂释放通量。结果表明半岛岩基的岩浆CO₂释放与硅酸盐风化导致的CO₂消耗数量级相当。大陆弧的平均碳排放和消耗通量在大陆弧的整个生命周期中基本一致，实现了区域上的碳平衡（图5）。但大陆弧在演化的不同阶段对大气的CO₂的贡献也随时间变化（图5b）：在岩浆爆发期初期由岩浆去气作用起主导作用，成为净碳源；在岩浆爆发峰期由于快速的岩浆造山作用，剥蚀速率增强，化学风化通量快速增加；岩浆造山带在岩浆活动停止后的几十个百万年内维持高程差，使得剥蚀和风化作用得以持续进行，大陆弧逐渐转为碳汇贡献。

图 5 美国加州半岛岩基晚白垩−早始新世期间岩浆大爆发相关的碳收支. 5a岩浆CO₂ 释放和硅酸盐风化CO₂消耗通量；5b 净 CO₂ 通量随时间的变化. 改编自Jiang and Lee (2019).

这项工作的研究成果一定程度上解决了前人关于大陆弧的“碳源/汇之争”，强调了大陆弧演化过程中各种地质过程，尤其是岩浆与剥蚀过程的关联性对区域长期碳通量和碳平衡可能产生的重要影响。研究成果也对大陆弧在全球尺度上对碳循环和气候的调节作用提供了新的认识：当全球大陆弧活动性显著增强时，岩浆作用CO₂排量较高，可能快速提高表生碳库中的CO₂含量，促进温室/热室气候形成；但由于大陆弧岩浆大爆发过程同时提高了剥蚀速率，地表风化反应力增强，加速对大气CO₂的消耗。因此，大气中CO₂的含量可被维系在合理的水平，而非因为突然增强的CO₂输入被推入极端气候。因此大陆弧扮演着一个自我调节的“地质空调”角色，在驱动全球气候变化的同时也对地球气候可起到一定程度的“缓冲”作用，维系着地表的宜居性。

本文作者为中国科学院地质与地球物理研究所副研究员，相关问题交流可通过邮箱jiang.hehe@mail.iggcas.ac.cn联系。