李继磊等：地球深部硫循环的区域差异与全球平衡

硫是影响行星宜居性的关键元素。与我们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（图1）。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（图1）。一个广为接受的观点是：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。那么，这一地球硫循环究竟处于平衡还是不平衡状态？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。

图1 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）

关于地球关键挥发分的水和碳，前人已开展相对深入的研究。全球水循环呈现出明显的不平衡：进入地幔的水通量（约1170 Mt/yr）显著高于通过岩浆作用返回地表的水通量（约666 Mt/yr）。而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80 Mt/yr左右。然而，同为关键挥发分的硫，目前还缺少可靠的定量约束。难点在于：（1）输入（Input）端多为全球均一化估算。尤其是作为俯冲板片重要硫贡献者的沉积物，其厚度和硫含量在不同俯冲带差异巨大，前人研究常用的全球平均值不仅模糊了区域性差异，也给硫输入通量估计带来了很大不确定性。（2）输出（Output）端多为个别岛弧火山气体的硫通量测算，同样存在强烈的空间差异，全球总量估算缺乏定量约束。

近日，中国科学院地质与地球物理研究所李继磊研究员与美国耶鲁大学Jay J. Ague教授、德国柏林自由大学Timm John教授、英国伦敦大学学院Peter D. Clift教授等国内外合作者，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表研究成果。该研究通过全球各海沟系统的精细硫通量核算，首次系统揭示了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，为理解地球深部硫循环提供了重要认识。

在输入（Input）方面，研究团队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，图2a），对每个俯冲带开展控制硫通量的关键参数的精细厘定。重要创新在于：

沉积物硫含量：系统筛选了全球1500余个大洋钻探（DSDP、ODP、IODP）钻孔的数据，构建了各俯冲带沉积物硫含量数据集（图2b）。结果显示，全球俯冲带沉积物平均硫浓度约为2450 μg/g，显著低于以往常用的6000 μg/g参考值，这一修正对通量估算影响重大。

洋壳厚度：根据前人收集的234个地震反射剖面数据，为32个俯冲带逐一建立了洋壳厚度数据集，发现洋壳厚度从4.6 km到9.7 km不等（平均6.5 km），且洋壳年龄越老厚度越大。

蛇纹岩化地幔厚度：首次系统评估了不同类型俯冲带下方蛇纹岩化地幔的厚度差异：侵蚀型俯冲带平均约3.1 km（根据实测厚度和蛇纹石化程度换算为100%蛇纹石化程度的厚度），而增生型仅约0.27 km，相差一个数量级。

图2 全球俯冲带体系分类简图及各海沟沉积物硫含量汇总

基于上述数据，研究计算出全球俯冲带输入地幔的总硫通量为50±3 Mt/yr。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%。然而，区域差异极为显著（图3）：增生型俯冲带（如巽他、日本等）贡献了全球沉积物硫输入的约75%，而侵蚀型俯冲带（如中美洲、智利等）单个沟系的硫通量大多低一个数量级。所罗门群岛和爪哇等超长俯冲带成为硫输入的“热点”区域。这些显著的空间差异意味着，全球硫循环无法简单地用平均输入通量来概括。进一步结合俯冲侵蚀、陆壳俯冲/拆沉作用的硫通量，最终计算出全球输入地幔的总硫通量为57±3 Mt/yr（图4）。

图3 全球32个俯冲带的硫通量及δ 34 S 的不均一性分布
图4 全球硫通量进出地幔平衡

在输出（Output）方面，研究团队全面评估了从地幔返回地表的硫通量（图4），包括洋中脊、火山弧和板内（热点、裂谷）岩浆作用。（1）火山弧：利用最新汇编的全球164座弧火山的6655个熔体包裹体硫含量数据，并结合岛弧岩浆产率，计算出弧岩浆作用的总硫输出为18.4±11 Mt/yr。其中约70%以气体形式（主要为SO2）释放，30%固化于岩石中。（2）洋中脊：洋中脊体系每年产生的硫输出约为35.7±9 Mt/yr。由于海水压力抑制气体出溶，几乎全部存储在洋壳岩石中。（3）板内岩浆：板内岩浆作用贡献约5.7±1.3 Mt/yr。其中约60%以气体形式释放。三者相加，地幔硫输出总通量为60±14 Mt/yr（图4）。

通量估算显示，57±3 Mt/yr的输入通量与60±14 Mt/yr的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（图4，图5）。然而，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。

另一个重要发现是硫同位素的系统性解耦。俯冲板片输入硫的δ34S值普遍偏负（-13‰至+1‰），而弧岩浆和火山气体的δ34S值则普遍偏正（+1‰至+9‰）。这种“输入负、输出正”的模式在所有俯冲带中几乎一致（图3），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。可能的机制包括硫化物歧化反应、地壳混染等。

图5 地球深部硫循环稳态平衡示意图

该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（图5）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（图1）。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。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。研究为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。

研究成果发表于国际学术期刊PNAS（李继磊*, Ague J.J., John T., Li B.T., Clift P.D., Schwarzenbach E.M., 高俊. Regional variability but global flux balance in the deep sulfur cycle.Proceedings of the National Academy of Sciences. 2026, 123 (28)： e2611196123. DOI: 10.1073/pnas.2611196123.）。研究获国家自然科学基金重大研究计划重点项目（92479201）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0710000）、地质地球所重点部署项目（IGGCAS-202204）、及多圈层相互作用的油气富集理论项目资助。