地质历史上的碳循环在控制地球气候和维持地球宜居性方面发挥着关键作用。作为地球上最大的物质循环系统，俯冲带调节着地球内部与地球表层之间的碳交换，对全球长期的碳循环起着重要控制作用。板块俯冲通过沉积物、蚀变洋壳和蛇纹石化橄榄岩，将大量无机碳和有机碳输送到地幔深度。在弧前和弧下深度，俯冲板块会通过变质脱碳作用、碳酸盐溶解作用、部分熔融作用、底劈作用等，将大量碳通过流体或熔体的形式转移到上覆的地幔楔中，最终通过弧火山作用以CO2的形式返回地表，完成俯冲板片-岛弧C循环。
然而，C通量估算研究表明，在弧前和弧下深度从俯冲板片中释放的C通量超过了从弧火山排放的C通量。全球分岛弧碳通量计算显示，在许多活跃的俯冲带，仅通过变质脱碳作用在弧下深度释放的板片CO2释放量就已经高于对应岛弧的CO2输出量（见图1）。如果再加上碳酸盐溶解于流体中的CO2，几乎所有俯冲带（33个海沟中的31个）都显示板片CO2释放量高于弧火山的CO2释放量（图1）。这表明，在板片到岛弧的迁移路径中存在明显的碳封存。
图1 现今俯冲带释放CO2通量明显高于对应火山弧排放CO2通量
然而，这些隐藏的碳储存的具体位置尚不明确。前人发现高压蛇纹岩可以发生明显的碳酸盐化，认为地幔楔发生蛇纹石化可能是板片C储存的潜在位置。但是该现象只揭示了俯冲带内发生的局部流体诱导的碳酸盐化作用，并不一定指示流体迁移过程中的C扣押作用。鉴于板片释放的含C流体多以通道式迁移方式在板片和地幔楔内部快速运移，因此，研究碳质流体在通道式迁移过程中发生的C扣押/存储对理解上述板片-岛弧C通量不平衡具有更重要的科学意义。
中国科学院地质与地球物理研究所李继磊研究员等，联合耶鲁大学Jay J. Ague教授、柏林自由大学Timm John教授以及佛罗里达州立大学E.M. Stewart助理教授，在西南天山高压-超高压变质带（典型的洋壳冷俯冲带）的变质沉积岩中，普遍发现沿方解石脉体两侧围岩发生显著的碳酸盐化现象（图2），且高压方解石脉体（含石榴子石）在延伸一段距离后发生尖灭，围岩的碳酸盐化现象随之消失（图3）。高压脉体通常代表了俯冲带内的流体通道，这一现象表明，板片释放的碳质流体在流经板片顶部的俯冲沉积物时，沿流体通道两侧发生了明显的碳酸盐化作用（C扣押作用）。
图2 变质沉积岩中通道化碳质流体迁移路径（脉体或蚀变带）的野外露头照片
图3 变质沉积岩中方解石脉体两侧发生的碳酸盐化作用及剖面元素含量变化
野外观察、岩相学证据和地球化学约束表明，在与高压含石榴石方解石（原文石）脉接触两侧的5-10
cm宽度，变质沉积岩沿流体通道发生了显著的碳酸盐化作用。围岩变质沉积岩发生了榴辉岩相变质作用，本身并不含碳酸盐矿物，碳酸化蚀变带是在碳质流体(方解石脉)流经时通过流体-岩石相互作用形成的。研究发现，岩石碳酸盐化发生在俯冲带约80
km深度下，流体先与围岩（硅酸盐矿物如绿辉石等）反应生成了含铁菱镁矿，随着Fe-Mg矿物的减少含铁白云石开始沉淀，最后钙质碳酸盐矿物（如文石）围绕早期碳酸盐矿物结晶。此外，模拟计算还表明，在板块-地幔楔界面间的变沉积岩层可以封存约20%–50%的板块释放流体中的碳（图4），起到“碳过滤器”的作用。换句话说，这些变沉积岩层阻止了部分碳从俯冲板块向岛弧的转移，从而解释了板块释放的碳与火山弧排放的碳量不一致的问题（图5）。俯冲沉积物封存了大量的C俯冲到更深部地幔，这延长了俯冲带C循环的滞留时间，同时增强了俯冲带更深部板片熔融脱碳或沉积物底劈熔融脱碳在俯冲带C循环中扮演的角色。
图4（a）硅酸盐的碳酸盐化反应平衡T- CO2图解和（b）模拟计算的俯冲带变质沉积物固碳能力
图5 俯冲沉积物“碳过滤器”模型示意图
该研究的创新性在于通过野外地质证据，调和了俯冲板片释放的碳通量与火山弧向大气排放的碳通量之间的不平衡的矛盾。研究表明，俯冲带C循环的解析不仅涉及俯冲板片释放C的过程，还必须考虑沿流体通道迁移过程中的碳吸收作用，二者共同制约着俯冲带C循环效率和通量。该研究揭示的俯冲过程中的碳迁移和再沉淀，为进一步理解俯冲带中碳的迁移路径、脱碳效率以及时间尺度提供了新的视角。
研究成果发表于国际学术期刊EPSL（李继磊*，E.M. Stewart，Timm John，Jay J. Ague，王钟瑞，马智佩，高俊. Metasedimentary “carbon filter” and its implication for subduction zone carbon recycling[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024, 646: 119007. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.119007.）。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、所重点部署项目、中科院青促会等项目的资助。
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编辑：刘强
