研究揭示区域差异与全球平衡

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。