俯冲作用可以将地表碳携带至深部地幔，是实现地球内部和大气圈层之间碳交换的重要过程。碳酸盐沉积物俯冲进入地球内部的碳超过洋壳和岩石圈地幔碳含量总和的两倍，因此主导了大洋板块的俯冲碳通量。基于热力学模型预测，碳酸盐沉积物运移至弧下深度之前，仅有极少量的碳发生变质反应脱碳，其大部分碳可以被带到地球内部深处。然而，针对弧火山作用释放CO₂的观测研究否定了这个预测。因此，地球浅部必然存在碳酸盐沉积物的碳储库，但其具体分布深度、范围和形成过程至今未被充分研究。

为理解碳酸盐沉积物俯冲碳循环的动力学演化过程，中国科学院地质与地球物理研究所王欣欣博士后、赵亮研究员、杨建锋特聘研究员和郭正堂研究员，利用自主发展的深部碳循环模拟方法，通过测试沉积层厚度、大洋俯冲板片的热年龄和汇聚速率等影响参数，研究了洋-陆俯冲构造下碳酸盐沉积层俯冲、脱碳和汇聚碳过程的动力学机制。模拟结果表明（图1和图2），在碳酸盐沉积物的俯冲过程中，弧前底辟主导了沉积碳从俯冲板片脱离的演化过程，变质反应则是一个可以忽略的脱碳机制。年轻的大洋板块、缓慢的汇聚速率和较厚的沉积层加速了沉积物在弧前深度的底辟作用，提高了沉积碳脱离俯冲板片的效率（可达～80%）。弧前底辟的沉积碳可沿对角线向上运移，并在上覆大陆岩石圈地幔顶部形成碳汇聚和碳储存，从而降低了沉积碳向弧下深度的俯冲量。

图1 洋-陆俯冲构造下碳酸盐沉积层脱碳和汇聚碳过程的模拟结果

图2 计算模型脱碳效率与组合参数STP（热年龄、汇聚速率和沉积层厚度的组合）的拟合曲线图，以及与观测结果（带数字的圆点）的对比

大规模的弧前碳储存可能为后续构造事件热扰动提供巨量碳来源。例如弧前底辟作用可应用于解释基克拉迪群岛（希腊）～40%–65%的弧前脱碳效率，以及哥斯达黎加 0.01%–11.82% 的弧前脱碳效率（图2）。此外，大陆岩石圈地幔沉积碳储库的再活化是后续碳释放的碳源（图3），比如日本西南地区的岛弧、安地列斯群岛和爪哇岛等释放的火山气体具有异常高δ¹³C的特征，表明CO₂的沉积来源。

图3 弧前底辟运移和上覆岩石圈碳储库位置的示意图

研究成果发表于国际学术期刊GRL（王欣欣, 赵亮^*, 杨建锋, 郭正堂^*. Carbon Storage in the Forearc Produced by Buoyant Diapirs of Subducted Sediment [J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51: e2023GL107011. DOI: 10.1029/2023GL107011）。研究获国家自然科学基金项目（41888101、42004084、92055213）、所重点部署项目（IGGCAS-202201）和“科学探索奖”等资助。