日前，美国地球物理学会（AGU）旗舰期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth （Nature Index）发表了中国科学院海洋研究所张国良研究团队最新成果“Coupled cycling of carbon and water in the form of hydrous carbonatitic liquids in the subarc region”。此项研究通过高温高压实验并结合热力学数值模拟，明确了俯冲带水对碳酸岩熔体出现的重要影响及其稳定存在的温压范围，揭示了俯冲带弧下深度含水碳酸岩熔体是迁移碳的重要介质。  

　　俯冲带是地表和深部碳交换的重要纽带，板块俯冲将部分碳带入地幔深处，也使部分碳以熔体或流体形式返回浅部系统。国际上深部碳循环研究起步较晚，其中俯冲板片脱碳形式和比例，是目前国际上俯冲碳循环研究程度不足的领域。以往相关研究总结出俯冲带四种主要脱碳形式：变质脱碳、流体溶解脱碳、底辟作用和熔融作用脱碳。其中，板片熔融脱碳被普遍认为仅发生于极热的俯冲带，而不会出现在中等或冷俯冲带。该团队前期研究已经发现水可以降低含碳沉积物的固相线 (Chen et al. CE&E 2023)。蛇绿碳酸岩既富水也富碳，可以赋存于俯冲板块内部和地幔楔底部，可能在俯冲带水/碳循环过程中扮演重要角色，然而，与沉积物和蚀变洋壳碳酸盐俯冲循环相比，蛇绿碳酸岩引起的挥发分循环机制尚有诸多未知。  

　　为了研究蛇绿碳酸岩俯冲引起的水和碳循环机制，张国良研究团队通过高温高压实验厘定了蛇绿碳酸岩在2.5-6 GPa下的相平衡关系（图1）。结果显示：蛇绿碳酸岩固相线温度可以低至~800 且随着压力的升高而降低，固相线以上生成含水碳酸岩熔体；蛇绿碳酸岩完全脱水温度要比固相线温度至少低100 ，这意味着（变质）蛇绿碳酸岩熔融需要外来流体加入。结合俯冲板片的热结构和蛇纹岩脱水条件（图2），位于地幔楔底部的蛇绿碳酸岩被板片拖拽到深部过程中，会先脱水形成无水变质蛇绿碳酸岩，变质蛇绿碳酸岩到达弧下深度后会与板片来源的流体相互作用，在热、中等甚至冷俯冲带都会发生水促熔融（flux melting）并生成含水碳酸岩熔体；俯冲板块携带的蛇绿碳酸岩仅脱流体，这种流体富水、含CO₂极低（图3），意味着俯冲板块蛇绿岩携带的碳大部分会俯冲进入更深的地幔。  

图1. 高温高压实验限定的蛇绿碳酸岩相图

图2. 蛇绿碳酸岩脱水和熔融条件

　　（Atg- 蛇纹石; Brc-水镁石；Chl-绿泥石。颜色较深的红、蓝和绿代表俯冲板片顶部热、中等和冷俯冲地温曲线，而相应的浅色代表莫霍面的地温曲线，括号数字代表相应矿物组合的含水量）  

图3. 热力学模拟计算获得的蛇绿碳酸岩固相线以下流体中CO₂含量（摩尔比）

图4. 蛇绿碳酸岩熔融和脱挥发分示意图

　　地幔楔底部的变质蛇绿碳酸岩与板片来源的流体相互作用发生水促熔融（flux melting），俯冲板块蛇绿碳酸岩仅发生脱挥发分生成富水、贫CO₂流体。  　　    

　　以上研究创新性在于将俯冲带脱碳与板片脱水过程相互结合起来研究，明确了俯冲带水与碳相互作用的重要性，揭示了含水碳酸岩熔体是弧下深度搬运碳的主要介质（图4）。该项成果对探讨俯冲带深部碳循环过程和脱碳效率具有重要意义。  

　　论文第一作者为中国科学院海洋研究所特别研究助理陈伟博士，通讯作者为张国良研究员，合作者包括印度Thapar文理学院Shantanu Keshav教授和河海大学彭卫刚博士。研究得到了国家重点研发计划项目、中国科学院战略性先导科技专项等项目资助。  

　　相关论文：  

　　Chen, W(陈伟)., Keshav, S., Peng, W. G(彭卫刚) & Zhang, G.L (张国良). 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(陈伟)., Zhang, G.L (张国良)., 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(陈伟)., Zhang, G.L (张国良)., Takahashi, E (高桥荣一) & 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