日前，Nature出版集团地球科学期刊《通讯-地球与环境》（Communications Earth & Environment）在线刊发了中国科学院海洋研究所张国良课题组板块俯冲有关的深部碳循环机制新进展，研究通过室内高温高压模拟，揭示了俯冲板块形成含水碳酸岩熔体是弧下板块脱碳并将碳搬运至弧下地幔的重要方式。
俯冲带是地表和地球碳交换的纽带，板块俯冲将一部分碳带入到地幔深处，同时使部分碳通过熔体/流体形式返回至浅部系统。因此，俯冲带是全球碳循环的调节器，可能对着地球长期气候变化和宜居环境产生深刻影响。俯冲板片脱碳是俯冲带碳循环研究的核心内容，过去20多年的工作总结出四种主要的脱碳机制，即变质反应脱碳、流体溶解作用、底辟作用和熔融作用。在弧下深度，板片熔融生成碳酸岩熔体被认为仅限于极热俯冲带或极富钙岩石（如大理岩或部分下洋壳辉长岩；CaO>20 wt.%）的熔融。这是由于前人认为俯冲沉积物或洋壳玄武岩在弧前深度发生强烈脱水，到达弧下深度后沉积物或玄武岩处于无水-流体不饱和状态，该条件下测得的含碳板片物质的固相线通常高于俯冲带的最高温度。实际上，板片中蛇纹石化橄榄岩在弧下深度会大量脱水，水可以极大降低碳酸盐矿物的固相线，释放的水在向上运移过程中会导致上覆板片重新水化并处于水饱和状态。尽管俯冲沉积物携带的碳占全球俯冲带碳输入通量的约70%，但含碳沉积物在弧下深度流体饱和条件下的相平衡关系、固相线及熔融脱碳行为尚不清楚。
研究团队通过高温高压实验研究厘定了流体饱和条件下碳酸盐化沉积物在2.5-6 GPa压力（弧下深度75-180 km）下的相平衡关系。研究揭示，固相线温度在2.5-4.5 GPa范围随压力升高而升高，固相线以上生成硅酸盐熔体；固相线温度在4.5-6 GPa范围随压力升高而降低，固相线以上初始熔体为钙质含水碳酸岩熔体，继续升温大量硅酸盐参与熔融反应生成碳酸盐化硅酸盐熔体。将固相线与俯冲板片地温曲线比较，在150-180 km深度范围中等温度俯冲板片顶部的P-T路径与生成碳酸盐熔体段固相线（P>4.5 GPa）相交，同时在相近的深度范围莫霍面温度可以使下覆蛇纹岩中的蛇纹石分解脱水，这使得上覆沉积物满足流体饱和熔融条件并在150-180 km深度生成含水碳酸岩熔体。前人研究认为碳酸岩熔体的产生仅限于热俯冲带或者极富钙岩石的熔融，而该工作显示碳酸盐化沉积物在中等温度俯冲环境就可以熔出含水碳酸岩熔体。因此，含水碳酸岩熔体在俯冲带弧下深度是搬运碳的常规介质。
该研究主要创新之处在于，一是科学假设结合了俯冲板片完整的脱水过程，并根据俯冲板片热结构、蛇纹石稳定域和碳酸盐化沉积物流体饱和固相线确定了中等温度俯冲带就满足生成含水碳酸岩熔体的条件；二是发现固相线斜率在4.5-6 GPa压力范围为负值，即固相线温度随压力升高而降低，这对于俯冲碳的释放十分重要。通过计算熔融反应公式并结合碳酸岩熔体极为富钙的现象，碳酸钙熔融温度降低可能引起了整个体系固相线的降低；从热力学角度，固相线斜率定义为dT /dP = ΔV/ΔS = T ΔV /ΔH，负斜率是由于含水碳酸岩熔体的密度大于碳酸钙矿物的密度，导致熔融反应为体积减小的反应（ΔV<0）。
该研究增进了对俯冲板片脱碳机制的认识，板片在弧下深度熔融并生成含水碳酸岩熔体是俯冲板片重要且常规的脱碳方式，该结果对探讨俯冲带深部碳循环过程具有重要意义。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，通讯作者为研究员张国良，合作者还包括印度Thapar文理学院Shantanu Keshav教授和中国科学院广州地化所研究员李元。本研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目资助。
论文信息：Chen, W., Zhang, G.L., Keshav, S & Li, Y. 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
