将富镁、铁、钙等二价离子的矿物和二氧化碳反应形成碳酸盐的矿物碳酸盐化，不仅是自然界形成显著碳汇的主要过程，也是地质碳封存的潜在技术手段。基性-超基性岩里的橄榄石、辉石、角闪石和斜长石等是常见的富镁、铁、钙的矿物，且它们易于反应，其碳酸盐化最为高效。但是，目前对于除橄榄石外其它矿物碳酸盐化反应的认识还相对有限。此外，基性矿物蚀变时铁可能会发生氧化，这时水会被还原成氢气，这些氢气可以进一步和二氧化碳通过费托类反应合成甲烷等烷烃；蛇纹石化就是这样的一个典型实例。在基性矿物碳酸盐化时，也有可能通过类似的过程合成非生物甲烷。由于甲烷不仅显著影响碳的地球化学循环，还是全球变暖效应数十倍于二氧化碳的温室气体，因此限定不同基性矿物碳酸盐化时甲烷合成的情况十分重要，然而目前对这方面的研究还十分缺乏。
针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所岩石学学科组张龙副研究员、王强研究员及其合作者近期对大别山碰撞后辉石岩内不同基性矿物中的流体包裹体进行了详细的岩石学研究。这些碰撞后辉石岩地幔源区含有再循环的碳酸盐组分，其结晶时不仅形成了方解石，还出溶了富二氧化碳的岩浆流体，被橄榄石、辉石、角闪石和磷灰石等矿物捕获形成流体包裹体（图1和2）。当辉石岩发生缓慢冷却后，和流体包裹体接触的寄主基性矿物变得不稳定，发生原位碳酸盐化反应，而磷灰石内的流体包裹体则保持不变。流体包裹体内，橄榄石碳酸盐化生成了菱镁矿、滑石、磁铁矿和甲烷；斜方辉石碳酸盐化主要生成了菱镁矿、滑石、方石英和甲烷；单斜辉石碳酸盐化生成了方解石、白云石、阳起石、滑石、方石英/石英和甲烷；角闪石碳酸盐化主要生成了方解石、白云石、绿泥石、云母、滑石、方石英/石英、金红石、钠长石同质异象和甲烷。
在上述观察的基础上，通过质量平衡限定了流体包裹体内不同基性矿物碳酸盐化的反应。自然界和地质碳封存时的矿物碳酸盐化可能会发生和上述流体包裹体内相似的反应，产生类似的次生物相。而且上述碳酸盐化反应都是包含铁镁固溶体的滑动反应，因此这些反应不仅适用于大别山辉石岩这种基性岩体系，也适用于橄榄岩等超基性岩体系。此外，上述流体包裹体中甲烷的存在表明，不同基性矿物在富二氧化碳流体存在的情况下发生高程度碳酸盐化时，仍能发生铁的氧化并合成甲烷，而并非如前人认为的那样二价铁会快速进入碳酸盐不发生氧化。橄榄石碳酸盐化时铁的氧化主要通过生成磁铁矿发生，而辉石和角闪石碳酸盐化时不生成磁铁矿。电子能量损失谱分析表明次生含水矿物具有比辉石和角闪石更高的三价铁含量，因此辉石和角闪石碳酸盐化时铁的氧化受含水矿物控制。通过对比铁的氧化程度，可以发现橄榄石碳酸盐化时二氧化碳还原为甲烷的比例最高，辉石次之，角闪石最低。总体而言，不同基性矿物碳酸盐化时能合成一定的非生物甲烷，这可能会影响碳的地球化学循环；而在地质碳封存时则需要通过选择合适的反应物和反应条件以尽量避免甲烷的产生。
图1 大别山辉石岩中不同基性矿物和磷灰石里流体包裹体的显微照片。
图2 大别山辉石岩中不同基性矿物里流体包裹体的拉曼面扫图，比例尺为20微米。
相关研究成果近期发表于国际地球化学知名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。该研究获得了中国科学院先导专项（XDB41000000）以及国家自然科学基金（42021002和42172057）等项目的联合资助。
论文信息：Zhang L. (张龙), Wang Q. (王强), Xian H. (鲜海洋), Zhou J.-S. (周金胜), Ding X. (丁兴), Li W.-C. (李万才), 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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