地質歷史上的碳迴圈在控制地球氣候和維持地球宜居性方面發揮著關鍵作用。作為地球上最大的物質迴圈系統，俯沖帶調節著地球內部與地球表層之間的碳交換，對全球長期的碳迴圈起著重要控制作用。板塊俯沖透過沈積物、蝕變洋殼和蛇紋石化橄欖巖，將大量無機碳和有機碳輸送到地幔深度。在弧前和弧下深度，俯沖板塊會透過變質脫碳作用、碳酸鹽溶解作用、部份熔融作用、底劈作用等，將大量碳透過流體或熔體的形式轉移到上覆的地幔楔中，最終透過弧火山作用以CO 2 的形式返回地表，完成俯沖板片-島弧C迴圈。
然而，C通量估算研究表明，在弧前和弧下深度從俯沖板片中釋放的C通量超過了從弧火山排放的C通量。全球分島弧碳通量計算顯示，在許多活躍的俯沖帶，僅透過變質脫碳作用在弧下深度釋放的板片CO
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釋放量就已經高於對應島弧的CO
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輸出量（見圖1）。如果再加上碳酸鹽溶解於流體中的CO
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，幾乎所有俯沖帶（33個海溝中的31個）都顯示板片CO
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釋放量高於弧火山的CO
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釋放量（圖1）。這表明，在板片到島弧的遷移路徑中存在明顯的碳封存。
圖1 現今俯沖帶釋放 CO 2 通量明顯高於對應火山弧排放 CO 2 通量
然而，這些隱藏的碳儲存的具體位置尚不明確。前人發現高壓蛇紋巖可以發生明顯的碳酸鹽化，認為地幔楔發生蛇紋石化可能是板片C儲存的潛在位置。但是該現象只揭示了俯沖帶內發生的局部流體誘導的碳酸鹽化作用，並不一定指示流體遷移過程中的C扣押作用。鑒於板片釋放的含C流體多以通道式遷移方式在板片和地幔楔內部快速運移，因此，研究碳質流體在通道式遷移過程中發生的C扣押/儲存對理解上述板片-島弧C通量不平衡具有更重要的科學意義。
中國科學院地質與地球物理研究所李繼磊研究員等，聯合耶魯大學Jay J. Ague教授、柏林自由大學Timm John教授以及佛羅裏達州立大學E.M. Stewart助理教授，在西南天山高壓-超高壓變質帶（典型的洋殼冷俯沖帶）的變質沈積巖中，普遍發現沿方解石脈體兩側圍巖發生顯著的碳酸鹽化現象（圖2），且高壓方解石脈體（含石榴子石）在延伸一段距離後發生尖滅，圍巖的碳酸鹽化現象隨之消失（圖3）。高壓脈體通常代表了俯沖帶內的流體通道，這一現象表明，板片釋放的碳質流體在流經板片頂部的俯沖沈積物時，沿流體通道兩側發生了明顯的碳酸鹽化作用（C扣押作用）。
圖
2 變質沈積巖中通道化碳質流體遷移路徑（脈體或蝕變帶）的野外露頭照片
圖3 變質沈積巖中方解石脈體兩側發生的碳酸鹽化作用及剖面元素含量變化
野外觀察、巖相學證據和地球化學約束表明，在與高壓含石榴石方解石（原文石）脈接觸兩側的5-10 cm寬度，變質沈積巖沿流體通道發生了顯著的碳酸鹽化作用。圍巖變質沈積巖發生了榴輝巖相變質作用，本身並不含碳酸鹽礦物，碳酸化蝕變帶是在碳質流體(方解石脈)流經時透過流體-巖石相互作用形成的。研究發現，巖石碳酸鹽化發生在俯沖帶約80 km深度下，流體先與圍巖（矽酸鹽礦物如綠輝石等）反應生成了含鐵菱鎂礦，隨著Fe-Mg礦物的減少含鐵白雲石開始沈澱，最後鈣質碳酸鹽礦物（如文石）圍繞早期碳酸鹽礦物結晶。此外，模擬計算還表明，在板塊-地幔楔界面間的變沈積巖層可以封存約20%–50%的板塊釋放流體中的碳（圖4），起到「碳過濾器」的作用。換句話說，這些變沈積巖層阻止了部份碳從俯沖板塊向島弧的轉移，從而解釋了板塊釋放的碳與火山弧排放的碳量不一致的問題（圖5）。俯沖沈積物封存了大量的C俯沖到更深部地幔，這延長了俯沖帶C迴圈的滯留時間，同時增強了俯沖帶更深部板片熔融脫碳或沈積物底劈熔融脫碳在俯沖帶C迴圈中扮演的角色。
圖4（a）
矽酸鹽的碳酸鹽化反應平衡
T- CO
2
圖解和（
b）模擬計算的俯沖帶變質沈積物固碳能力
圖5 俯沖沈積物「碳過濾器」模型示意圖
該研究的創新性在於透過野外地質證據，調和了俯沖板片釋放的碳通量與火山弧向大氣排放的碳通量之間的不平衡的矛盾。研究表明，俯沖帶C迴圈的解析不僅涉及俯沖板片釋放C的過程，還必須考慮沿流體通道遷移過程中的碳吸收作用，二者共同制約著俯沖帶C迴圈效率和通量。該研究揭示的俯沖過程中的碳遷移和再沈澱，為進一步理解俯沖帶中碳的遷移路徑、脫碳效率以及時間尺度提供了新的視角。
研究成果發表於國際學術期刊 EPSL （李繼磊*，E.M. Stewart，Timm John，Jay J. Ague，王鐘瑞，馬智佩，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 .）。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、所重點部署專案、中科院青促會等專案的資助。
編輯：劉強
