古元古代含石墨造山带（山脉）的形成与20-18亿年前发生的全球碳埋藏事件有着内在联系。碳埋藏事件由地球大气中氧气含量的急剧增加和单细胞生命的大量繁殖所驱动，极大地改变了地球的有机碳预算。这些古老的碳沉积物在地质历史时期受到了温度和压力的影响，在造山运动中转化成了石墨。然而，流体和岩石之间的相互作用可以部分分解这些原生石墨，并以二次热液石墨的形式重新沉积。目前已知的石墨矿床中有85%保存在造山运动期间，了解这些过程的时间和速率对于揭示造山运动中的碳循环机制至关重要。
美国耶鲁大学Toma Jonathan联合加拿大阿尔伯塔大学Robert Creaser团队利用地质年代学方法，确定地质事件年龄，揭示北美古代山脉中石墨形成的时间。研究人员通过分析铼、锇、铀和铅同位素，确定石墨、黄铁矿、独居石和锆石的年龄信息；然后，利用这些年龄重建地质历史事件的时间轴，将矿物的形成时间与造山运动的阶段（早期、中期或晚期）相对应。相关研究成果于2024年9月发表于《Nature Geoscience》。
研究调查了北美两个古老造山带的石墨形成情况，即Taltson–Snowbird造山带（距今约19.4-18.9亿年）和Trans-Hudson造山带（距今约18.4-17.2亿年），这两个造山带均与Nuna超大陆聚合有关。这两个造山带中石墨测年结果表明，成矿作用主要发生在造山运动的晚期，与造山带的抬升和侵蚀相一致（图1）。这些石墨主要沉积在流体相的剪切带中（具有强烈韧性变形的区域）。石墨的稳定碳同位素特征表明，这些碳主要来自生物源（由生物体产生）。研究结果表明，在这些山脉的历史上，石墨曾多次循环，周期约为3000万年。简单的质量平衡模型表明，在一个剪切带中的循环的碳有350万吨，在100个剪切带中循环的碳量高达9000万吨。这些结论凸显了在造山作用过程中剪切带碳循环的重要性。
这项研究强调了造山过程中石墨沉积的复杂性和多期次性，以及剪切带作为流体通道在富集大量热液石墨方面的关键作用。这些研究结果表明，此类特征并非该项研究地点所独有，而是其他同期富含石墨的山脉的共同特征，为全球类似的地质环境提供了启示。同时，该研究估算了造山运动中石墨形成的时间和速率。然而，要更广泛地阐明这些系统中石墨碳的生命周期，还需要对更多的山带进行研究。例如，目前还不清楚其他造山系统中热液石墨的循环速度是否相同。同样，岩浆活动在造山过程中推动碳循环的程度也不完全清楚。岩浆活动在这一过程中是起主要作用还是次要作用尚未清晰。接下来，要对更多富含石墨的造山带进行同位素测年，包括前寒武纪（>5.4亿年前）和显生宙（<5.4亿年前）的造山带。研究人员可以通过这些信息对不同的造山带进行比较，确定大致的模式和趋势，从而进行更全面的推断。
论文信息：
Toma J., Creaser R. 2024. Graphite preserved in ancient mountain belts linked to supercontinent assembly. Nature Geoscience, 17, 959–960.
