近日，中国地质大学（北京）科学研究院王水炯教授联合中国地质科学院地质研究所孙剑研究员，在国际知名期刊《PNAS》上发表题为“Zinc isotopic evidence for an Archean initiation of deep carbon cycling”的研究成果。该研究对全球18个碳酸岩杂岩体、44件火成碳酸岩及伴生碱性硅酸岩样品，开展了系统的Zn-C-O-Sr同位素联合分析，并结合第一性原理计算，发现不同时代火成碳酸盐源区普遍存在再循环碳，深部碳循环可能在中太古宙已经启动。

深部碳循环是连接地球表生碳库与地幔碳库的关键过程，对地球长期气候演变和宜居性具有深远影响。然而，深部碳循环何时启动、如何演化，一直是地球科学领域的重大科学问题。海相沉积碳酸盐通常具有较重的Zn同位素组成（其δ^66/64Zn值显著高于地幔值），因此，Zn同位素被视为识别地幔源区是否存在再循环碳的敏感“指纹”。

然而，近年来学界有观点认为，地幔极低比例熔融即可产生具有重Zn同位素特征的熔体，无需再循环碳酸盐的参与。针对“重Zn同位素是否可能由地幔部分熔融过程本身产生”这一关键问题，研究团队通过第一性原理计算，获得了地幔主要硅酸盐矿物与碳酸盐矿物之间的Zn同位素平衡分馏系数，并据此模拟了仅含原生碳的地幔部分熔融过程。结果表明，在仅有原生碳、没有再循环碳加入的情况下，地幔部分熔融产生的碳酸质熔体应富集轻Zn同位素，而非重Zn同位素（图1）。因此，Zn同位素可以视为鉴别低比例幔源熔体源自“原生碳”参与熔融还是“再循环碳”参与熔融的良好指标。

在此基础上，研究团队系统采集了全球18个碳酸岩杂岩体、时代跨度从27亿年到现代的44件火成碳酸岩及伴生碱性硅酸岩样品,开展了高精度Zn-C-O-Sr同位素分析。结果显示，绝大多数碳酸岩样品的δ^66/64Zn值为0.21–0.55 ‰，高于正常地幔范围（0.16 ± 0.06 ‰）（图2）；在Zn–O–Sr同位素图解中，样品点明显偏离地幔端元，并趋向再循环碳酸盐的混合趋势（图3）。这种重Zn同位素特征在不同时代、不同地区的样品中反复出现，表明再循环碳的参与并非局部或短暂现象，而是至少自约27亿年前以来持续影响碳酸岩地幔源区。结合Zn–O–Sr混合模型，研究进一步表明，再循环富镁碳酸盐（如菱镁矿、白云石）是主要贡献者。

研究团队进一步统计了全球典型地幔岩石和玄武岩的Zn-Mg同位素组成及Nb含量。结果显示，具有高δ66/64Zn的地幔岩石往往同时具有轻Mg同位素组成特征，这种耦合关系指示其源区曾受到再循环碳酸盐熔体的交代，而非单纯“原生碳”部分熔融的产物。全球玄武岩的δ^66/64Zn与Nb含量呈正相关(图4)，表明板内玄武岩中普遍存在一个由深部碳循环催化的低程度、富挥发分的初始熔体组分，深部碳循环是板内玄武岩重Zn同位素特征的重要来源。

图1 第一性原理计算与部分熔融模拟

图2 大气二氧化碳与火成碳酸岩随时间推移的成分演化

图3 全球各地火成碳酸岩的Zn-O-Sr同位素组成

图4 全球地幔岩石和玄武岩的Zn-Mg同位素组成及Nb含量

中国地质大学（北京）科学研究院博士研究生杜云峰博士为论文第一作者，王水炯教授和孙剑研究员为论文通讯作者，论文合作者还包括湖首大学Roger H. Mitchell教授，弗莱贝格工业大学Sebastian Tappe教授，以及我校马壮博士后。该成果得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金（2022YFF0801004 , 42521005，2019YFA0708604，42273051）以及中央高校基本科研业务费专项资金（Grant 2652023001）的联合资助。

Du, Y.-F., Ma, Z., Wang, S.-J^*., Sun, J^*., Mitchell, R.H., Tappe, S., 2026. Zinc isotopic evidence for an Archean initiation of deep carbon cycling. Proc. Natl. Acad. Sci. 123（38）, e2616574123.

全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2616574123