费晨辉|郭顺等−PNAS：高级变质作用过程中H₂释放与非生物有机合成

摘要：从深海热泉到天外陨石，对地球生命起源的探索一直是自然科学最受关注、也最具挑战性的议题之一。长久以来，深海热液系统被认为是孕育地球最初生命的理想环境。其中一个关键机制是：地表或浅部的基性−超基性岩石在蛇纹石化过程中，岩石中亚铁离子（Fe

从深海热泉到天外陨石，对地球生命起源的探索一直是自然科学最受关注、也最具挑战性的议题之一。长久以来，深海热液系统被认为是孕育地球最初生命的理想环境。其中一个关键机制是：地表或浅部的基性−超基性岩石在蛇纹石化过程中，岩石中亚铁离子（Fe2+）被氧化成三价铁离子（Fe3+），同时将水（H2），再在催化作用下发生非生物有机合成，为生命起源提供能量和物质基础。然而，近年来的理论计算和实验岩石学研究均表明地球深部高温高压环境可能更有利于非生物有机物的形成，但这些认识尚缺乏自然观测证据的支持。更为重要的是，在深部极端条件下，H2针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化学科中心费晨辉博士后与导师郭顺研究员，联合刘景波研究员和浙江海洋大学李仪兵博士，选取苏鲁超高压变质带威海地区的大理岩及其流/熔体交代岩石开展深入的岩石学研究（图1A），发现了大陆深俯冲和碰撞造山过程中有机物存在的直接证据，同时也揭示了深部过程中H2释放与非生物有机合成反应的新途径。

威海白云质大理岩经历强烈的富硅流体/硅酸盐熔体的渗透，形成一套由白云石大理岩（交代前岩石）、橄榄石大理岩（弱交代岩石）和透辉石岩（强烈交代岩石）组成的岩石系统（图1B−图1D）。其中，大理岩主要由白云石和少量方解石组成（图1E）；橄榄石大理岩主要由方解石、白云石、橄榄石、金云母、磁铁矿和少量硫化物组成（图1F−图1H）；透辉石岩主要由透辉石（透闪石）和少量方解石、长石、石英等组成（图1I−图1J）。这些富碳岩石经历了深俯冲—折返过程，是研究深部变质过程中非生物有机合成的理想样品。

图1（A）苏鲁超高压变质带地质简图；（B−C）交代大理岩野外露头产状；（D）交代大理岩手标本照片；（E）白云石大理岩矿物组合；（F−H）橄榄石大理岩矿物组合；（I−J）透辉石岩矿物组合

为获取第一手信息，研究团队聚焦于一种特殊信息载体——锆石包裹体。锆石因其物理化学性质极为稳定，因此能长期保存所捕获的包裹体成分免受后期地质作用改造。

通过高精度拉曼面扫描分析技术，研究团队对两类交代岩石变质锆石中超过5000个包裹体开展了系统的鉴定和分类。在这些包裹体中识别出多种有机碳组分，包括水草酸钙石（Whewellite，CaC2424222O，以及橄榄石、金云母、方解石、磁铁矿和透辉石等脱碳反应矿物（图2）。这些发现表明在大理岩变质脱碳过程中，形成了H2和非生物成因有机质。

图2（A−E）橄榄石大理岩和（F−J）透辉石岩中锆石包裹体的显微照片及拉曼图像；（K）代表性拉曼光谱图

研究团队进一步对不同类型交代岩石进行精细变质岩石学和地球化学研究，发现随着白云石大理岩交代程度的增强，全岩铁含量显著升高（图3A−图3C），结合质量平衡计算模拟，证明交代过程中存在明显外源Fe的加入。这些Fe主要以膜状或富硅质韵律层颗粒状的磁铁矿形式存在。扫描电镜及能谱分析显示磁铁矿中含有微量Cl元素，同时在富硅质韵律层中还发现了NaCl微晶（图3D−图3I）。这些证据综合表明，外源富亚铁氯化物流体在与大理岩反应过程中，磁铁矿沉淀，同时将H23FeCl2(aq)+3CaCO323422根据Fe在含氯流体中的溶解度，确定出交代过程所需的最小水/岩比为2−9。定量计算结果显示，每形成1 kg交代岩石可释放72−142 mmol的H22释放出的H2在磁铁矿的催化作用下，与脱碳反应产生的CO24（图4）。此外，在包裹体中识别出水草酸钙石表明，该过程中还合成了更为复杂的有机羧酸类化合物，为地球深部非生物有机合成路径的存在提供了直接证据。

图3（A）各岩石中主要矿物的Fe/（Fe+Mg）比值；（B-C）交代过程中成分变化；（D−I）含Cl磁铁矿及富硅质韵律条带中的NaCl微晶

图4大陆俯冲带富亚铁氯化物流体交代大理岩过程产氢与非生物有机合成示意图

（1）明确含亚铁流体在产氢过程中的关键作用：以往研究认为，水−岩反应产氢过程中的Fe2+主要来自岩石本身。而该研究明确提出外源含富亚铁氯化物流体与碳酸盐反应可以产生H2，揭示了地球深部产氢的新途径，凸显了富亚铁流体在深部产氢反应中的重要作用。

（2）揭示非生物有机合成可发生在高级变质条件下：对交代大理岩的形成条件估算显示，其形成温度为670−800 ℃，压力大于1.0 GPa，脱碳反应时间为218 Ma左右，与区域部分熔融事件一致。这一发现突破了以往对大分子固相有机物的非生物合成仅限于低温低压环境（T

该研究揭示的流体交代大理岩过程中氢气释放与非生物有机合成反应，不仅丰富了对大陆俯冲带地质演化过程的理解，也为现代能源开发与生命起源带来了新的启示。含亚铁氯化物热液流体与碳酸盐在地球上广泛分布于地球不同构造环境中，这意味着类似的产氢过程可能普遍存在。氢气作为新型的绿色清洁能源，其地质来源机制及其潜在储库的研究对未来氢能勘探具有重要意义。更为重要的是，研究证实了非生物有机合成可在高级变质条件下发生，为早期地球极端环境中生命的起源提供了关键物质基础与理论支撑。

研究成果发表于国际学术期刊PNAS（费晨辉, 郭顺*, 李仪兵, 刘景波*. Abiotic synthesis during the interaction of ferrous chloride-rich silicic fluids with marble under high-grade metamorphic conditions [J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2025. DOI: 10.1073/pnas.2423043122.）。研究受国家自然科学基金“特提斯地球动力系统”重大研究计划集成项目（92355301）、中科院B类先导专项（XDB0710000）、国家自然基金委项目（42302061, 42172063）、中国博士后科学基金（2023M743471）和研究所重点部署项目（IGGCAS-202204）等共同资助。