地球在漫长地质历史中多次经历显著气候摆动，在寒冷的“冰屋”时期与温暖的“温室”状态之间切换。长期以来，相关变化通常被归因于大气二氧化碳浓度的起伏。

一项发表在《Communications, Earth and Environment》的新研究提出，驱动这些二氧化碳变化的来源与机制可能更为复杂，其中，地表构造板块的运动方式在气候变化中的作用或此前被低估。研究指出，除板块汇聚带外，板块分离带同样是影响地质时期碳循环的重要环节。

追踪“深碳循环”

在板块汇聚边界，常形成火山弧等火山链。火山熔融过程可释放长期封存在岩石中的碳，并将其带到地表。传统观点普遍认为，火山弧是向大气注入二氧化碳的主要来源。

该研究对这一认识提出挑战。研究团队认为，中洋脊与大陆裂谷等板块分离区域，在地质时间尺度上对地球碳循环的推动作用可能更为关键。研究解释称，海洋会从大气中吸收大量二氧化碳，并将其中相当部分储存在海底富含碳的岩石与沉积物中；经过长期累积，海底可形成厚达数百米的富碳沉积层。

随着板块运动，这些富碳岩石与沉积物可能被输送至汇聚带，并在俯冲等过程中将所携带的二氧化碳重新释放回大气。研究将这一在地球内部、海洋板块与大气之间发生的碳迁移过程称为“深碳循环”，并通过构造板块地质时期迁移的计算机模型对其进行追踪。

模型结果与“温室—冰屋”对应关系

研究团队利用计算机模型重建构造板块携带碳的迁移过程，并据此对过去5.4亿年间主要“温室”与“冰屋”气候阶段进行预测。研究称，在“温室期”，释放到大气中的碳量高于被富碳岩石与沉积物捕获的碳量；而在“冰屋”气候期间，更多碳被封存于海洋与海底沉积物中，从而降低大气二氧化碳水平并对应降温。

研究强调，深海沉积物在调节大气二氧化碳方面具有关键作用：板块缓慢移动过程中，所携带的富碳沉积物最终通过俯冲返回地球内部。研究认为，这一过程是决定地球处于“温室”还是“冰屋”状态的重要因素。

对火山弧贡献的时间尺度差异

研究同时对火山弧释放碳的相对重要性给出新的时间尺度解释。研究指出，火山弧释放碳在过去约1.2亿年内之所以更为突出，与浮游钙质生物的出现有关。

研究称，这类小型海洋生物属于浮游植物家族，能够将溶解碳转化为方解石，并促使大量碳以富碳沉积物形式在海底封存。相关生物约在2亿年前进化，并在约1.5亿年前扩散至全球海洋。研究认为，过去1.2亿年火山弧释放碳占比较高，主要与这些生物形成的富碳沉积物供给有关；在更早时期，中洋脊与大陆裂谷等板块分离区域的碳排放对大气二氧化碳的贡献更为显著。

对气候研究的启示

研究团队表示，结果为理解构造过程如何塑造气候提供了新的视角：地球气候不仅与大气碳水平相关，也受到地表碳排放与海底沉积物碳封存之间复杂平衡的影响。研究还称，这些发现可为气候模型提供参考，尤其是在当前对二氧化碳水平上升的关注背景下。

本文内容转载自 The Conversation，采用知识共享许可协议。