地球硫循环是何状态？研究揭示区域差异与全球平衡
中新网北京7月22日电(记者孙自法)硫是影响行星宜居性的关键元素。地球特别是地球深部的硫循环究竟处于什么状态？这不仅是理解地球自身演化的基础科学问题，也对比较行星学具有重要启示，因此备受学界关注。
全球海沟系统精细硫通量核算
记者7月22日从中国科学院地质与地球物理研究所获悉，该所李继磊研究员联合美国、德国、英国等国高校的合作者，通过全球各海沟系统的精细硫通量核算，首次系统揭示俯冲带硫输入在区域上的强烈不均一性，同时发现全球尺度上硫输入与输出之间保持着很好的通量平衡，从而为理解地球深部硫循环提供了重要认识。
宜居地球硫循环平衡与非宜居火星硫循环失衡对比图(AI生成)。中国科学院地质地球所 供图这项揭示地球硫循环呈现区域差异与全球平衡的重要研究成果论文，近日在国际学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表。
论文第一作者和通讯作者李继磊介绍说，与地球相邻的金星和火星上，硫以不同形式大量存在——金星大气中布满二氧化硫云层，火星表面则遍布硫酸盐沉积物。反观地球，表面山清水秀、气候宜人，并没有出现硫的过量堆积。一个广为接受的观点认为，地球通过板块构造作用，将岩浆火山从深部带到地表的硫再通过俯冲作用送回地幔，实现了深部与表层硫的动态循环。
作为地球关键挥发分的水和碳，此前已开展相对深入的研究，发现全球水循环呈现出明显的不平衡，进入地幔的水通量(约11.7亿吨每年)显著高于通过岩浆作用返回地表的水通量(约6.66亿吨每年)；深部碳循环则呈现出进出平衡的状态，俯冲带输入和岩浆通道输出的碳通量均在8000万吨每年左右。不过，同为关键挥发分的硫，目前还缺少可靠的定量约束。
从输入输出两个方面开展研究
李继磊指出，研究团队从输入、输出两方面开展地球硫循环研究，首先将全球俯冲体系划分为32个俯冲带(19个侵蚀型和13个增生型)，对每个俯冲带开展控制硫通量的关键参数的精细厘定。
沉积物硫含量上，系统筛选全球1500余个大洋钻探钻孔的数据，构建各俯冲带沉积物硫含量数据集；洋壳厚度上，根据前人收集的234个地震反射剖面数据，为32个俯冲带逐一建立洋壳厚度数据集；蛇纹岩化地幔厚度上，首次系统评估不同类型俯冲带下方蛇纹岩化地幔的厚度差异。
基于上述数据，最终研究计算出全球输入地幔的总硫通量为5700万吨±300万吨每年，其中，俯冲洋壳贡献约71%，沉积物贡献约22%，蛇纹岩化地幔贡献约7%；区域差异极为显著，增生型俯冲带贡献了全球沉积物硫输入的约75%，而侵蚀型俯冲带单个沟系的硫通量大多低一个数量级。
在输出方面，研究团队全面评估了从地幔返回地表的硫通量，包括火山弧、洋中脊和板内(热点、裂谷)岩浆作用。三者相加，地幔硫输出总通量为6000万吨±1400万吨每年。
通量估算显示，输入通量与输出通量在误差范围内高度吻合，表明现代地球深部硫循环处于近稳态——输入与输出通量平衡。
对地球宜居性也具有启示意义
李继磊认为，地球深部硫循环处于近稳态，这并不意味着各俯冲带“收支均衡”。研究显示，不同俯冲带的硫循环效率(弧输出/板片输入)从接近0%到接近100%不等，全球平均约为37%。
板片硫输入量与弧岩浆硫含量之间不存在线性相关性，暗示弧岩浆的硫富集程度还受熔体体积、氧逸度、板片热梯度等多种因素调控。
本项研究的另一个重要发现是硫同位素的系统性解耦，这种“输入负、输出正”的模式在所有俯冲带中几乎一致，表明弧岩浆的硫同位素组成并非简单继承自板片，在流体迁移、岩浆上升过程中可能也经历了明显的改造，其可能的机制包括硫化物歧化反应、地壳混染等。
地球深部硫循环稳态平衡示意图。中国科学院地质地球所供图这次研究对地球宜居性也具有启示意义，深部硫循环的稳态平衡可能是现代宜居地球的重要支撑，这种动态平衡让地球避开了火星、金星那样的不宜居环境，但在更长的地质历史时期，情况可能不同。例如，显生宙大部分时期海底沉积物覆盖较薄、俯冲输入较低，而地幔潜在温度较高导致岩浆活动更强，硫循环可能处于净输出状态。
李继磊表示，这种历史视角有助于理解地球与其他类地行星演化路径的分异，既为地球深部硫循环提供了可靠的定量框架，也为进一步探索板块构造、挥发分循环与长期气候演化之间的耦合关系奠定了基础。(完)
原标题《地球硫循环是何状态？中国科学家领衔揭示区域差异与全球平衡》
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