日前，美國地球物理學會（AGU）旗艦期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth （Nature Index）發(fā)表了中國科學院海洋研究所張國良研究團隊最新成果“Coupled cycling of carbon and water in the form of hydrous carbonatitic liquids in the subarc region”。此項研究通過高溫高壓實驗并結(jié)合熱力學數(shù)值模擬，明確了俯沖帶水對碳酸巖熔體出現(xiàn)的重要影響及其穩(wěn)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(zhì)。
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(tǒng)。國際上深部碳循環(huán)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(huán)研究程度不足的領(lǐng)域。以往相關(guān)研究總結(jié)出俯沖帶四種主要脫碳形式：變質(zhì)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(fā)生于極熱的俯沖帶，而不會出現(xiàn)在中等或冷俯沖帶。該團隊前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水可以降低含碳沉積物的固相線 (Chen et al. CE&E 2023)。蛇綠碳酸巖既富水也富碳，可以賦存于俯沖板塊內(nèi)部和地幔楔底部，可能在俯沖帶水/碳循環(huán)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(huán)相比，蛇綠碳酸巖引起的揮發(fā)分循環(huán)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(huán)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(guān)系（圖1）。結(jié)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(zhì)）蛇綠碳酸巖熔融需要外來流體加入。結(jié)合俯沖板片的熱結(jié)構(gòu)和蛇紋巖脫水條件（圖2），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(zhì)蛇綠碳酸巖，變質(zhì)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(fā)生水促熔融（flux melting）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CO2極低（圖3），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。
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圖1. 高溫高壓實驗限定的蛇綠碳酸巖相圖 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放（交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
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圖2. 蛇綠碳酸巖脫水和熔融條件 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
（Atg- 蛇紋石; Brc-水鎂石；Chl-綠泥石。顏色較深的紅、藍和綠代表俯沖板片頂部熱、中等和冷俯沖地溫曲線，而相應(yīng)的淺色代表莫霍面的地溫曲線，括號數(shù)字代表相應(yīng)礦物組合的含水量）
圖3. 熱力學模擬計算獲得的蛇綠碳酸巖固相線以下流體中CO2含量（摩爾比） 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
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圖4. 蛇綠碳酸巖熔融和脫揮發(fā)分示意圖 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
地幔楔底部的變質(zhì)蛇綠碳酸巖與板片來源的流體相互作用發(fā)生水促熔融（flux melting），俯沖板塊蛇綠碳酸巖僅發(fā)生脫揮發(fā)分生成富水、貧CO2流體。
以上研究創(chuàng)新性在于將俯沖帶脫碳與板片脫水過程相互結(jié)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(zhì)（圖4）。該項成果對探討俯沖帶深部碳循環(huán)過程和脫碳效率具有重要意義。
論文第一作者為中國科學院海洋研究所特別研究助理陳偉博士，通訊作者為張國良研究員，合作者包括印度Thapar文理學院Shantanu Keshav教授和河海大學彭衛(wèi)剛博士。研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目資助。
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相關(guān)論文：
Chen, W(陳偉)., Keshav, S., Peng, W. G(彭衛(wèi)剛) & Zhang, G.L (張國良). Coupled cycling of carbon and water in the form of hydrous carbonatitic liquids in the subarc region. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (2023). https://doi.org/10.1029/2023JB026681
Chen, W(陳偉)., Zhang, G.L (張國良)., Keshav, S & Li, Y(李元). Pervasive hydrous carbonatitic liquids mediate transfer of carbon from the slab to the subarc mantle. Communications Earth & Environment 4, 73 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00741-5
Chen, W(陳偉)., Zhang, G.L (張國良)., Takahashi, E (高橋榮一) & Li, L(李立). Flux melting of subducting carbonated sediments: An experimental study. Geosystems and Geoenvironment (2023). https://doi.org/10.1016/j.geogeo.2023.100218 內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_0排放￥交-易=網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
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