將富鎂、鐵、鈣等二價離子的礦物和二氧化碳反應形成碳酸鹽的礦物碳酸鹽化，不僅是自然界形成顯著碳匯的主要過程，也是地質碳封存的潛在技術手段。基性-超基性巖里的橄欖石、輝石、角閃石和斜長石等是常見的富鎂、鐵、鈣的礦物，且它們易于反應，其碳酸鹽化最為高效。但是，目前對于除橄欖石外其它礦物碳酸鹽化反應的認識還相對有限。此外，基性礦物蝕變時鐵可能會發生氧化，這時水會被還原成氫氣，這些氫氣可以進一步和二氧化碳通過費托類反應合成甲烷等烷烴；蛇紋石化就是這樣的一個典型實例。在基性礦物碳酸鹽化時，也有可能通過類似的過程合成非生物甲烷。由于甲烷不僅顯著影響碳的地球化學循環，還是全球變暖效應數十倍于二氧化碳的溫室氣體，因此限定不同基性礦物碳酸鹽化時甲烷合成的情況十分重要，然而目前對這方面的研究還十分缺乏。
針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所巖石學學科組張龍副研究員、王強研究員及其合作者近期對大別山碰撞后輝石巖內不同基性礦物中的流體包裹體進行了詳細的巖石學研究。這些碰撞后輝石巖地幔源區含有再循環的碳酸鹽組分，其結晶時不僅形成了方解石，還出溶了富二氧化碳的巖漿流體，被橄欖石、輝石、角閃石和磷灰石等礦物捕獲形成流體包裹體（圖1和2）。當輝石巖發生緩慢冷卻后，和流體包裹體接觸的寄主基性礦物變得不穩定，發生原位碳酸鹽化反應，而磷灰石內的流體包裹體則保持不變。流體包裹體內，橄欖石碳酸鹽化生成了菱鎂礦、滑石、磁鐵礦和甲烷；斜方輝石碳酸鹽化主要生成了菱鎂礦、滑石、方石英和甲烷；單斜輝石碳酸鹽化生成了方解石、白云石、陽起石、滑石、方石英/石英和甲烷；角閃石碳酸鹽化主要生成了方解石、白云石、綠泥石、云母、滑石、方石英/石英、金紅石、鈉長石同質異象和甲烷。
在上述觀察的基礎上，通過質量平衡限定了流體包裹體內不同基性礦物碳酸鹽化的反應。自然界和地質碳封存時的礦物碳酸鹽化可能會發生和上述流體包裹體內相似的反應，產生類似的次生物相。而且上述碳酸鹽化反應都是包含鐵鎂固溶體的滑動反應，因此這些反應不僅適用于大別山輝石巖這種基性巖體系，也適用于橄欖巖等超基性巖體系。此外，上述流體包裹體中甲烷的存在表明，不同基性礦物在富二氧化碳流體存在的情況下發生高程度碳酸鹽化時，仍能發生鐵的氧化并合成甲烷，而并非如前人認為的那樣二價鐵會快速進入碳酸鹽不發生氧化。橄欖石碳酸鹽化時鐵的氧化主要通過生成磁鐵礦發生，而輝石和角閃石碳酸鹽化時不生成磁鐵礦。電子能量損失譜分析表明次生含水礦物具有比輝石和角閃石更高的三價鐵含量，因此輝石和角閃石碳酸鹽化時鐵的氧化受含水礦物控制。通過對比鐵的氧化程度，可以發現橄欖石碳酸鹽化時二氧化碳還原為甲烷的比例最高，輝石次之，角閃石最低。總體而言，不同基性礦物碳酸鹽化時能合成一定的非生物甲烷，這可能會影響碳的地球化學循環；而在地質碳封存時則需要通過選擇合適的反應物和反應條件以盡量避免甲烷的產生。
圖1 大別山輝石巖中不同基性礦物和磷灰石里流體包裹體的顯微照片。
圖2 大別山輝石巖中不同基性礦物里流體包裹體的拉曼面掃圖，比例尺為20微米。
相關研究成果近期發表于國際地球化學知名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。該研究獲得了中國科學院先導專項（XDB41000000）以及國家自然科學基金（42021002和42172057）等項目的聯合資助。
論文信息：Zhang L. (張龍), Wang Q. (王強), Xian H. (鮮海洋), Zhou J.-S. (周金勝), Ding X. (丁興), Li W.-C. (李萬才), 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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