海洋所俯沖帶深部碳循環(huán)機制研究獲新進展
日前,Nature出版集團地球科學期刊《通訊-地球與環(huán)境》(Communications Earth & Environment)在線刊發(fā)了中國科學院海洋研究所張國良課題組板塊俯沖有關的深部碳循環(huán)機制新進展,研究通過室內高溫高壓模擬,揭示了俯沖板塊形成含水碳酸巖熔體是弧下板塊脫碳并將碳搬運至弧下地幔的重要方式。
俯沖帶是地表和地球碳交換的紐帶,板塊俯沖將一部分碳帶入到地幔深處,同時使部分碳通過熔體/流體形式返回至淺部系統(tǒng)。因此,俯沖帶是全球碳循環(huán)的調節(jié)器,可能對著地球長期氣候變化和宜居環(huán)境產生深刻影響。俯沖板片脫碳是俯沖帶碳循環(huán)研究的核心內容,過去20多年的工作總結出四種主要的脫碳機制,即變質反應脫碳、流體溶解作用、底辟作用和熔融作用。在弧下深度,板片熔融生成碳酸巖熔體被認為僅限于極熱俯沖帶或極富鈣巖石(如大理巖或部分下洋殼輝長巖;CaO>20 wt.%)的熔融。這是由于前人認為俯沖沉積物或洋殼玄武巖在弧前深度發(fā)生強烈脫水,到達弧下深度后沉積物或玄武巖處于無水-流體不飽和狀態(tài),該條件下測得的含碳板片物質的固相線通常高于俯沖帶的最高溫度。實際上,板片中蛇紋石化橄欖巖在弧下深度會大量脫水,水可以極大降低碳酸鹽礦物的固相線,釋放的水在向上運移過程中會導致上覆板片重新水化并處于水飽和狀態(tài)。盡管俯沖沉積物攜帶的碳占全球俯沖帶碳輸入通量的約70%,但含碳沉積物在弧下深度流體飽和條件下的相平衡關系、固相線及熔融脫碳行為尚不清楚。
研究團隊通過高溫高壓實驗研究厘定了流體飽和條件下碳酸鹽化沉積物在2.5-6 GPa壓力(弧下深度75-180 km)下的相平衡關系(圖1)。研究揭示,固相線溫度在2.5-4.5 GPa范圍隨壓力升高而升高,固相線以上生成硅酸鹽熔體;固相線溫度在4.5-6 GPa范圍隨壓力升高而降低,固相線以上初始熔體為鈣質含水碳酸巖熔體(圖2),繼續(xù)升溫大量硅酸鹽參與熔融反應生成碳酸鹽化硅酸鹽熔體。將固相線與俯沖板片地溫曲線比較,在150-180 km深度范圍中等溫度俯沖板片頂部的P-T路徑與生成碳酸鹽熔體段固相線(P>4.5 GPa)相交,同時在相近的深度范圍莫霍面溫度可以使下覆蛇紋巖中的蛇紋石分解脫水(圖3),這使得上覆沉積物滿足流體飽和熔融條件并在150-180 km深度生成含水碳酸巖熔體。前人研究認為碳酸巖熔體的產生僅限于熱俯沖帶或者極富鈣巖石的熔融,而該工作顯示碳酸鹽化沉積物在中等溫度俯沖環(huán)境就可以熔出含水碳酸巖熔體。因此,含水碳酸巖熔體在俯沖帶弧下深度是搬運碳的常規(guī)介質。

圖1.碳酸鹽化沉積物流體飽和條件下相圖

圖2. 含水碳酸巖熔體淬火形成的碳酸鹽礦物成分

圖3. 俯沖沉積物流體飽和固相線與蛇紋巖中含水礦物穩(wěn)定域
(Atg- 蛇紋石; Chl-綠泥石。顏色較深的紅、藍和紫代表俯沖板片頂部熱、中等和冷俯沖地溫曲線,而相應的淺色代表莫霍面的地溫曲線,括號數(shù)字代表相應礦物或礦物組合的含水量)
該研究主要創(chuàng)新之處在于,一是科學假設結合了俯沖板片完整的脫水過程,并根據(jù)俯沖板片熱結構、蛇紋石穩(wěn)定域和碳酸鹽化沉積物流體飽和固相線確定了中等溫度俯沖帶就滿足生成含水碳酸巖熔體的條件;二是發(fā)現(xiàn)固相線斜率在4.5-6 GPa壓力范圍為負值,即固相線溫度隨壓力升高而降低,這對于俯沖碳的釋放十分重要。通過計算熔融反應公式并結合碳酸巖熔體極為富鈣的現(xiàn)象,碳酸鈣熔融溫度降低可能引起了整個體系固相線的降低;從熱力學角度,固相線斜率定義為dT /dP = ΔV/ΔS = T ΔV /ΔH,負斜率是由于含水碳酸巖熔體的密度大于碳酸鈣礦物的密度,導致熔融反應為體積減小的反應(ΔV<0)。
本研究增進了對俯沖板片脫碳機制的認識,板片在弧下深度熔融并生成含水碳酸巖熔體是俯沖板片重要且常規(guī)的脫碳方式,該結果對探討俯沖帶深部碳循環(huán)過程具有重要意義。論文第一作者為中國科學院海洋研究所特別研究助理陳偉博士,通訊作者為研究員張國良,合作者還包括印度Thapar文理學院Shantanu Keshav教授和中科院廣州地化所研究員李元。本研究得到國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目資助。
論文信息: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
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