从天体化学和地球化学的角度来讲，碳是一个极其重要的挥发性元素。碳影响类地行星的形成和演化；碳在行星内部和大气圈之间的交换以及行星大气圈中CO₂的含量也影响着行星表层环境气候的演化和变迁。比如，碳可以促进行星硅酸盐幔的熔融，而熔融所产生的玄武岩如果有高的CO₂含量则有利于此玄武岩以火山形式喷发；早期地球和火星大气圈中如果存在大量CO₂，则非常有利于早期地球和火星保持一个相对温暖湿润的环境，从而可以解决早期地球和火星的气候问题—著名的“Faint Young Sun Paradox”，也从而有利于行星早期生命的起源、形成和演化。 

　　碳在行星以及月球内部的存在的形式受控于氧逸度（fO₂）。地球在其岩浆海（Magma Ocean）结晶分异后，上地幔迅速被氧化到FQM左右（FMQ= Fayalite-Magnetite-Quartz oxygen buffer）, 而火星和月球硅酸盐幔则一直处于还原状态，fO₂在IW左右 （IW=Fe-FeO oxygen buffer；IW～ FMQ-4）；而水星的fO₂则低至IW-6。那么在这些星体的硅酸盐幔部分熔融过程中，碳是以何种形式存在的？这些硅酸盐幔部分熔融所产生的玄武岩可以携带多少碳释放到大气圈中？这些碳能否解决火星的“Faint Young Sun Paradox”？ 近些年的研究表明，月球以及水星早期都存在火山喷发，那么这些碳能不能成为月球以及水星表层岩浆喷发的主要驱动力？ 

　　为此，广州地化所高温高压组李元开展了高温高压实验，研究火星幔熔融条件下，碳在火星玄武岩中的存在形式以及溶解度。拉曼光谱、红外光谱、电子探针以及离子探针综合分析表明，碳在火星玄武岩中主要以碳酸盐的形式溶解，碳在火星玄武岩中的溶解度随着fO₂的降低而降低。此研究所获得的实验数据与先前所发表的碳在行星条件下的溶解度数据相结合，李元等人推导出一个半经验—半热力学公式。此公式可以用于预测碳在火星、水星以及月球硅酸盐幔部分熔融所产生玄武岩中的溶解度。预测结果表明：（1）火星幔部分熔融过程中碳可能被耗尽；整个火星地壳产生过程中，释放到火星大气圈中的CO₂总量不足1bar。这远低于解决火星“Faint Young Sun Paradox”所需的CO₂量（2bar）。因此，火星幔去碳无法解决火星的“Faint Young Sun Paradox”。

（2）月球玄武岩中可能含几十到几百ppm碳，这和实际观测的月球玄武岩橄榄石中熔体包裹体中的碳含量相一致，因此CO₂/CO可能是月球火山喷发的一个重要驱动力。

（3）虽然水星表层以及水星壳含有大量的石墨，但由于水星幔极低的fO₂以及低的水含量，水星玄武岩可能只能携带小于10ppm的碳释放到地表。因此，玄武岩从水星幔中所携带的碳不足以成为水星玄武岩喷发的一种重要驱动力。 

　　以上研究成果于6月1号在线发表在《Journal of Geophysical Research: Planets》上。论文信息：Li, Y., R. Dasgupta, and K. Tsuno (2017), Carbon contents in reduced basalts at graphite saturation: Implications for the degassing of Mars, Mercury, and the Moon, J. Geophys. Res. Planets. 

　　此研究受中科院先导专项“地球深部过程及表层效应” 和美国航空航天局NASA共同资助。 

　　图1  整个火星地壳形成过程中释放到大气圈中CO₂的总量 

　　论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JE005289/full.

同位素地球化学国家重点实验室 & 科技与规划处 供稿