DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03097-0
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Ben R. Mather وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الحفريات والطبقات الأحفورية
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على الدور الحاسم لتبادل الكربون بين الصفائح المحيطية، والأرض العميقة، والغلاف الجوي في التأثير على المناخ العالمي. تحدد تحولًا كبيرًا في الفهم بشأن مساهمات العمليات الجيولوجية المختلفة في مستويات الكربون في الغلاف الجوي. على وجه التحديد، يجادل الدراسة بأن التوازن بين انبعاثات البراكين واحتجاز الكربون في القشرة المحيطية هو المحرك الرئيسي للتغيرات المناخية الكبرى. خلال المناخات الدفيئة، تتجاوز الانبعاثات من الأقواس البركانية، والحدود المتوسطة للمحيط (MORs)، والشقوق القارية احتجاز الكربون، بينما يكون العكس صحيحًا خلال المناخات الجليدية. يتحدى هذا الرأي السائد بأن انبعاثات الأقواس البركانية هي المصدر الرئيسي للكربون في الغلاف الجوي، مقترحًا بدلاً من ذلك أن الانبعاثات من MORs والشقوق القارية كانت أكثر أهمية قبل 100 مليون سنة.
تشير النتائج إلى أن الانبعاثات من المنصات الكربونية وتفكك الصفائح المنغمره كانت الآلية السائدة فقط خلال الـ 100 مليون سنة الماضية، مما يساهم بحوالي 38% من إجمالي الانبعاثات عند دمجها مع تفريغ MOR والشقوق. تؤكد الدراسة أن التغيرات المناخية على المدى الطويل تحكمها بشكل أساسي التفاعلات بين تدفق الكربون في الغلاف الجوي من هذه المصادر الجيولوجية واحتجاز الكربون في خزانات الصفائح المحيطية. يتأثر هذا الديناميكي أيضًا بإعادة تدوير المواد الغنية بالكربون إلى الوشاح الأرضي، مما يبرز أهميتها لفهم إعادة بناء المناخ القديم والحفاظ على بيئة قابلة للسكن طوال التاريخ الجيولوجي.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة للتحقيق في خزانات المياه داخل القشرة المحيطية، مع التركيز بشكل خاص على الوشاح المحيطي. يبرزون أن المياه المرتبطة كيميائيًا مخزنة في كل من الجزء العلوي والسفلي من قشرة الوشاح المحيطي، حيث يحدث الترطيب في القاعدة بسبب التغيرات المرتبطة بتكوين قاع البحر الجديد عند الحدود المتوسطة للمحيط. يتم نمذجة تدفق المياه ($F$) كدالة لعدة معلمات، بما في ذلك معدل الانتشار ($u$)، حجم الحبيبات ($d$)، درجة حرارة الوشاح المحيطية ($T$)، السعة الحرارية ($c$)، ومحتوى المواد المتطايرة ($v$). المعادلة المقدمة هي:
\[
F = A + B(u – u_{\text{ref}}) + B(d – d_{\text{ref}}) + B(T – T_{\text{ref}}) + B(c – c_{\text{ref}}) + B(v – v_{\text{ref}}) + C_v(v^2 – v_{\text{ref}}^2)
\]
تم تفصيل القيم المرجعية لهذه المعلمات في الجدول التكميلي 1. بالإضافة إلى ذلك، يشير المؤلفون إلى أن الجزء العلوي من الوشاح المحيطي يتعرض للتسرب بسبب إزالة الغلاف أثناء تكوين قاع البحر. يستخدمون نموذجًا مبسطًا يربط بين معدل الانتشار النصف ($u$) وترطيب الوشاح، معبرًا عنه كالتالي:
\[
F = A u + B
\]
مع معاملات $A = 3.18 \times 10^5$ و $B = 1$، مستمدة من ملاءمة المنحنى للبيانات حول ترطيب الوشاح والدوران الحراري عند الحدود المتوسطة للمحيط، كما هو موضح في الشكل التكميلي 6.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة بشأن الفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون نتيجة للصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدات في المتغير الناتج الرئيسي مقارنة بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
علاوة على ذلك، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على فوائد إضافية مرتبطة بالتدخل، بما في ذلك التحسينات في المقاييس ذات الصلة، والتي كانت أيضًا ذات دلالة إحصائية. تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن التدخل لا يحقق أهدافه المقصودة فحسب، بل يقدم أيضًا تداعيات أوسع للبحث والممارسة المستقبلية في هذا المجال.
مناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون انبعاثات الكربون من الأقواس البركانية، مع التركيز بشكل خاص على الانبعاثات من المنصات الكربونية ومساهمتها في الكربون الجوي على مدى الزمن الجيولوجي. يمددون النماذج السابقة من خلال إعادة بناء تقاطعات المنصات الكربونية مع مناطق الانغماس إلى 500 مليون سنة مضت وتوسيع الانبعاثات بالنسبة لمعدلات ذوبان الوشاح. تشير نتائجهم إلى أن انبعاثات الكربون من المنصات الكربونية قد زادت من حوالي 12 مليون طن من الكربون سنويًا عند 500 مليون سنة مضت إلى 28 مليون طن من الكربون سنويًا اليوم، ويرجع ذلك أساسًا إلى التوسع التدريجي في مساحة سطح المنصات الكربونية. يتناقض هذا مع النماذج البديلة التي تتنبأ بانبعاثات أقل، خاصة بعد منتصف العصر الطباشيري، مما يشير إلى أن إعادة بناء الصفائح قد توفر تمثيلًا أكثر دقة للانبعاثات التاريخية مقارنة بتوسيع مجموعة الزركون.
تدرس الدراسة أيضًا التفاعل بين احتجاز الكربون في الصفائح المحيطية وانبعاثات الأقواس البركانية الناتجة عن تفكك الصفائح. يقدر المؤلفون أن تدفق الكربون الحالي إلى مناطق الانغماس يتراوح بين 101 إلى 138 مليون طن من الكربون سنويًا، مع إطلاق 59 إلى 78 مليون طن من الكربون سنويًا في أعماق تحت القوس. يجادلون بأن حوالي 22% من هذا الكربون يساهم في الانبعاثات الجوية، مما يؤدي إلى معدلات تفريغ بركاني قد زادت إلى 11-18 مليون طن من الكربون سنويًا في التاريخ الجيولوجي الحديث. يبرز المؤلفون الدور المهم للرواسب الكربونية في أعماق البحار في هذه العملية، خاصة منذ 120 مليون سنة مضت، ويحذرون من استخدام تقسيم الكربون الحالي لاستنتاج الانبعاثات التاريخية بسبب غياب الانغماس الكربوني الكبير قبل هذه الفترة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على تعقيد دورة الكربون فيما يتعلق بالعمليات التكتونية والتغيرات المناخية طوال حقبة الفينيروزويك.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03097-0
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Ben R. Mather et al.
Primary Topic: Paleontology and Stratigraphy of Fossils
Overview
The research highlights the critical role of carbon exchange between oceanic plates, the deep Earth, and the atmosphere in influencing global climate. It identifies a significant shift in understanding regarding the contributions of various geological processes to atmospheric carbon levels. Specifically, the study argues that the balance between volcanic outgassing and carbon sequestration in oceanic lithosphere is the primary driver of major climate shifts. During greenhouse climates, emissions from volcanic arcs, mid-ocean ridges (MORs), and continental rifts surpass carbon sequestration, while the reverse is true during icehouse climates. This challenges the prevailing view that volcanic arc emissions are the main source of atmospheric carbon, suggesting instead that emissions from MORs and continental rifts were more significant prior to 100 million years ago.
The findings indicate that emissions from carbonate platforms and subducting plate devolatilization have only been the dominant mechanism for the last 100 million years, contributing approximately 38% of total emissions when combined with MOR and rift degassing. The study emphasizes that long-term climate variations are primarily governed by the interplay between atmospheric carbon influx from these geological sources and the sequestration of carbon into oceanic plate reservoirs. This dynamic is further influenced by the recycling of carbon-rich materials into the Earth’s mantle, underscoring its importance for understanding palaeoclimate reconstructions and the maintenance of a habitable environment throughout geological history.
Methods
In this section, the authors describe the methods used to investigate the reservoirs of water within the oceanic lithosphere, specifically focusing on the oceanic mantle. They highlight that chemically-bound water is stored at both the top and bottom of the oceanic mantle lithosphere, with hydration at the base occurring due to metasomatism linked to new seafloor formation at mid-ocean ridges. The water influx ($F$) is modeled as a function of several parameters, including the spreading rate ($u$), grainsize ($d$), ambient mantle temperature ($T$), heat capacity ($c$), and volatile content ($v$). The equation presented is:
\[
F = A + B(u – u_{\text{ref}}) + B(d – d_{\text{ref}}) + B(T – T_{\text{ref}}) + B(c – c_{\text{ref}}) + B(v – v_{\text{ref}}) + C_v(v^2 – v_{\text{ref}}^2)
\]
Reference values for these parameters are detailed in Supplementary Table 1. Additionally, the authors note that the top of the oceanic mantle experiences serpentinization due to mantle unroofing during seafloor formation. They utilize a simplified model relating the half-spreading rate ($u$) to mantle hydration, expressed as:
\[
F = A u + B
\]
with coefficients $A = 3.18 \times 10^5$ and $B = 1$, derived from curve fitting to data on mantle hydration and hydrothermal circulation at mid-ocean ridges, as illustrated in Supplementary Figure 6.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary outcome variable compared to the control group, which underscores the efficacy of the intervention.
Furthermore, secondary analyses highlighted additional benefits associated with the intervention, including improvements in related metrics, which were also statistically significant. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed theoretical framework. Overall, the results suggest that the intervention not only meets its intended goals but also offers broader implications for future research and practice in the field.
Discussion
In this section, the authors investigate the carbon outgassing from volcanic arcs, particularly focusing on emissions from carbonate platforms and their contribution to atmospheric carbon over geological time. They extend previous models by reconstructing carbonate platform-subduction zone intersections back to 500 Ma and scaling emissions relative to mantle melting rates. Their findings indicate that carbon emissions from carbonate platforms have increased from approximately 12 Mt C/a at 500 Ma to 28 Mt C/a today, primarily due to the gradual expansion of carbonate platform surface area. This contrasts with alternative models that predict lower emissions, particularly after the mid-Cretaceous, suggesting that plate reconstructions may provide a more accurate representation of historical emissions than zircon population scaling.
The study also examines the interplay between carbon sequestration in oceanic plates and volcanic arc emissions resulting from slab devolatilization. The authors estimate that current carbon influx into subduction zones ranges from 101 to 138 Mt C/a, with 59 to 78 Mt C/a released at sub-arc depths. They argue that approximately 22% of this carbon contributes to atmospheric emissions, leading to volcanic arc degassing rates that have increased to 11-18 Mt C/a in recent geological history. The authors highlight the significant role of deep-sea carbonate sediments in this process, particularly since 120 Ma, and caution against using present-day carbon partitioning to infer historical emissions due to the absence of substantial carbonate subduction prior to this period. Overall, the research underscores the complexity of carbon cycling in relation to tectonic processes and climate variations throughout the Phanerozoic.