俯沖帶深部碳循環研究獲進展

日前，中國科學院海洋研究所研究員張國良團隊在俯沖帶深部碳循環研究取得新進展，相關成果發表于美國地球物理學會旗艦期刊《地球物理研究雜志-固體地球》。該研究通過高溫高壓實驗并結合熱力學數值模擬，明確了俯沖帶水對碳酸巖熔體出現的重要影響及其穩定存在的溫壓范圍，揭示了俯沖帶弧下深度含水碳酸巖熔體是遷移碳的重要介質。 

俯沖帶是地表和深部碳交換的重要紐帶，板塊俯沖將部分碳帶入地幔深處，也使部分碳以熔體或流體形式返回淺部系統。國際上深部碳循環研究起步較晚，其中俯沖板片脫碳形式和比例，是目前國際上俯沖碳循環研究程度不足的領域。

此前，相關研究總結出俯沖帶四種主要脫碳形式：變質脫碳、流體溶解脫碳、底辟作用和熔融作用脫碳。其中，板片熔融脫碳被普遍認為僅發生于極熱的俯沖帶，而不會出現在中等或冷俯沖帶。

張國良團隊前期研究已經發現水可以降低含碳沉積物的固相線。蛇綠碳酸巖既富水也富碳，可以賦存于俯沖板塊內部和地幔楔底部，可能在俯沖帶水/碳循環過程中扮演重要角色，然而，與沉積物和蝕變洋殼碳酸鹽俯沖循環相比，蛇綠碳酸巖引起的揮發分循環機制尚有諸多未知。 

為了研究蛇綠碳酸巖俯沖引起的水和碳循環機制，張國良研究團隊通過高溫高壓實驗厘定了蛇綠碳酸巖在2.5-6 GPa下的相平衡關系。結果顯示，蛇綠碳酸巖固相線溫度可以低至~800℃且隨著壓力的升高而降低，固相線以上生成含水碳酸巖熔體；蛇綠碳酸巖完全脫水溫度要比固相線溫度至少低100℃，這意味著變質蛇綠碳酸巖熔融需要外來流體加入。結合俯沖板片的熱結構和蛇紋巖脫水條件，位于地幔楔底部的蛇綠碳酸巖被板片拖拽到深部過程中，會先脫水形成無水變質蛇綠碳酸巖，變質蛇綠碳酸巖到達弧下深度后會與板片來源的流體相互作用，在熱、中等甚至冷俯沖帶都會發生水促熔融并生成含水碳酸巖熔體；俯沖板塊攜帶的蛇綠碳酸巖僅脫流體，這種流體富水、含二氧化碳極低，意味著俯沖板塊蛇綠巖攜帶的碳大部分會俯沖進入更深的地幔。 

地幔楔底部的變質蛇綠碳酸巖與板片來源的流體相互作用發生水促熔融，俯沖板塊蛇綠碳酸巖僅發生脫揮發分生成富水、貧二氧化碳流體。 　　　  

該研究創新性在于將俯沖帶脫碳與板片脫水過程相互結合起來研究，明確了俯沖帶水與碳相互作用的重要性，揭示了含水碳酸巖熔體是弧下深度搬運碳的主要介質。該項成果對探討俯沖帶深部碳循環過程和脫碳效率具有重要意義。 

研究得到了國家重點研發計劃項目、中國科學院戰略性先導科技專項等項目資助。 

相關論文信息：https://doi.org/10.1029/2023JB026681