地球深部的氮來自哪里？浙大團隊揭開謎底

作為太陽系中最豐富的元素之一，氮是生命起源、生物圈形成和演化所必需的元素。研究表明，地幔是地球上氮的主要儲庫，氮在地球表面和地幔之間的循環影響著大氣演化、氣候變遷以及地球的宜居性。那么我們不禁要問，深部地幔中的氮是從哪里來的？地球上活躍的板塊構造活動能將多少地球表面的氮帶入地球深部？

浙江大學地球科學學院夏群科教授團隊通過高溫高壓實驗模擬，研究了沉積物板片深俯沖過程中氮元素是如何遷移的，揭示出板片俯沖對下地幔氮的貢獻有限，推測深部地幔的大部分氮是地球形成時期的原始氮。該研究成果于8月14日在Nature Communications發表且被選為亮點論文，論文題目為Inefficient nitrogen transport to the lower mantle by sediment subduction。該論文第一作者為博士生黃偉樺，通訊作者為楊燕教授。

眾所周知，地球表面由若干個相互碰撞的板塊組成，在這些板塊的邊界處，較重的海洋地殼會向下俯沖到地幔中，帶走大量的沉積物。沉積物是板塊俯沖過程中含氮量最高的地球表面物質，因而沉積物中含氮載體的穩定性及其分配行為很大程度上決定著氮的再循環效率。

沉積物氮俯沖過程示意圖

團隊與中國科學院廣州地球化學研究所、中國地質大學（武漢）的學者合作，采用多面砧壓機進行高溫高壓實驗模擬，并且結合機器學習分析方法，研究了在10-12 GPa 和 800-1100 °C的壓強和溫度下，沉積物在含氮體系中的相轉化，以及氮在礦物與流體之間的分配行為。

研究發現，含氮體系中的主要礦物多硅白云母的穩定域提高1-3 GPa，并且隨著壓強升高而轉化為鉀錳鋇礦（K-hollandite）的過程中，氮在礦物與流體之間的分配系數顯著降低。這一發現對深部地球化學有著重要意義。過去的研究對地球深部氮的來源存在較大爭議，本研究首次揭示了沉積物深俯沖過程中氮的分配行為，結果顯示，即使沉積物中攜帶了大量的氮，在深俯沖過程中也很難完整地保留下來，最終到達深部地幔的只有很小一部分。團隊估算每年最多只有1.5×108 kg的氮能被沉積物帶入下地幔，即使經過3億年的板塊構造運動，也最多貢獻下地幔總氮含量的15%，地球深部的氮元素儲庫主要還是來自于地球形成初期的原始成分。

該研究獲得了國家自然科學基金以及浙江省地學大數據與地球深部資源重點實驗室基金的資助。論文鏈接：https://www.nature.com/ncomms/editorshighlights。

（圖片由課題組提供）