汇聚板块边缘的碳循环制约着地球内部-表生系统的碳收支平衡和长期的气候-环境演化。碳通过近地表的水/岩相互作用，以有机物和碳酸盐的形式进入岩石圈，并通过板片的俯冲进入（深部）地幔，随后经过火山、裂谷和造山等地质过程的去气作用重新回到地表。在整个循环过程中，碳如何从俯冲板片中释放是碳循环研究的一个核心问题。已有研究指出俯冲板片脱碳过程可以通过流体对碳酸盐溶解、部分熔融、沉积物底劈和氧化还原变化等方式来实现。然而目前对这些方式涉及的详细岩石学机制仍然缺乏深入和准确的认识。俯冲板片释放的硅酸盐熔体（silicate melts）是活化和迁移碳的关键介质。目前，对于硅酸盐熔体中碳的溶解度和含碳熔体的物理化学性质已进行了大量研究。但是根本问题——板片硅酸盐熔体中碳的富集机制（含碳熔体的形成方式）还缺乏足够的了解。已有的模型（主要基于实验岩石学）均假定含碳熔体由俯冲的富碳岩石部分熔融产生。中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室郭顺研究员与合作者通过对苏鲁超高压变质带的研究，揭示了无碳硅酸盐熔体与超高压大理岩反应可以产生含碳熔体，并能够引发显著的碳迁移。
苏鲁变质带威海地区的超高压长英质片麻岩广泛发育混合岩化现象，是全球经典的俯冲大陆地壳部分熔融实例。研究团队对混合岩、大理岩及二者之间的反应带进行了系统调查（图1a, 图1b）。反应带包括富斜硅镁石蚀变边（selvage）和钙质硅酸盐岩（calc-silicate rocks，以单斜辉石为主）两部分（图2a-图2c），由混合岩释放的硅酸盐熔体与白云石大理岩交代变质形成。剖面成分分析表明这一交代变质作用引发明显的元素交换（CO2从大理岩丢失进入熔体；熔体中Si、Al和K则进入反应带）和同位素分馏（图2d-图2o）。交代体系共发育两类浅色体（熔体）：（1）混合岩中浅色体由钾长石、斜长石和石英组成，不发育碳酸盐矿物（图1c， 图3a-图3c）；（2）反应带中浅色体则主要由钾长石和斜长石组成，不含石英，但发育大量方解石（图1d、图1e，图3d-图3i）。这一现象表明无碳的硅酸盐熔体在发生了熔体—大理岩反应后转变为含碳硅酸盐熔体。根据面扫描（图3f、图3i）和成分分析（图3j），估算含碳熔体中CO2含量不低于0.8-1.6 wt.%，与实验岩石学结果一致。相较于无碳熔体，含碳熔体具有更低的Si、K含量和更高的Ca含量，即经历熔体—大理岩反应，硅酸盐熔体从流纹质转变为粗面英安质。
图1（a、b）大理岩—反应带—混合岩体系和两种（无碳和含碳）浅色体的分布；（c）无碳浅色体矿物组合；（d、e）含碳浅色体的矿物组合
图2 大理岩—反应带—含碳浅色体的野外关系（a-c）和剖面成分与同位素变化（d-o）
图3 无碳浅色体和含碳浅色体的矿物面扫描图和矿物比例（a-i）和全岩成分对比图（j-m）
进一步的碳收支平衡计算表明，熔体—大理岩反应过程中的脱碳量远高于露头尺度浅色体所能赋存的碳汇量（<总脱碳量的14%），这说明反应过程中释放的CO2被硅酸盐熔体持续地迁移出反应体系。指示了参与反应的熔体体积远高于观察到的浅色体体积，也暗示这些含碳熔体具有高的活动性，能够迁移较长距离，从而对深部碳循环产生重要影响。
本研究取得如下新的进展和认识：（1）俯冲板片释放的硅酸盐熔体与上覆变质碳酸盐岩的反应是含碳熔体形成和俯冲带碳释放/迁移的一个重要机制（图4）。这种碳释放/迁移的机制在以往研究中被忽视，在俯冲-碰撞带的碳通量估算中应予以考虑。（2）首次发现俯冲板片中无碳熔体向含碳熔体转变的野外证据和岩石学过程。（3）交代介质的成分控制着脱碳反应的产物和脱碳量：对于白云石大理岩体系（俯冲板片中主要变质碳酸盐岩类型），高Si活度的交代形成单斜辉石，脱碳效率更高；低Si活度交代更易形成硅镁石/橄榄石，脱碳效率相对低。（4）熔体—大理岩反应导致熔体中Si降低和CO2富集，这些化学变化均引起熔体的黏度和密度降低，使含碳熔体具有更高的活动性和更短的驻留时间，能够进行长距离迁移，从而显著提高汇聚板块边缘的碳循环效率。
图4 汇聚板片边缘的溶体—变质碳酸盐岩反应、含碳熔体形成和碳迁移示意图
研究成果发表于国际地学学术期刊EPSL（郭顺*，Joerg Hermann，唐盼，初旭，陈意，苏斌）。Formation of carbon-bearing silicate melts by melt-metacarbonate interaction at convergent plate margins[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 597: 117816. DOI：10.1016/j.epsl.2022.117816。 