海洋所在俯沖帶深部碳循環(huán)研究中取得新進(jìn)展
日前,美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)(AGU)旗艦期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth (Nature Index)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所張國(guó)良研究團(tuán)隊(duì)最新成果“Coupled cycling of carbon and water in the form of hydrous carbonatitic liquids in the subarc region”。此項(xiàng)研究通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)并結(jié)合熱力學(xué)數(shù)值模擬,明確了俯沖帶水對(duì)碳酸巖熔體出現(xiàn)的重要影響及其穩(wěn)定存在的溫壓范圍,揭示了俯沖帶弧下深度含水碳酸巖熔體是遷移碳的重要介質(zhì)。
俯沖帶是地表和深部碳交換的重要紐帶,板塊俯沖將部分碳帶入地幔深處,也使部分碳以熔體或流體形式返回淺部系統(tǒng)。國(guó)際上深部碳循環(huán)研究起步較晚,其中俯沖板片脫碳形式和比例,是目前國(guó)際上俯沖碳循環(huán)研究程度不足的領(lǐng)域。以往相關(guān)研究總結(jié)出俯沖帶四種主要脫碳形式:變質(zhì)脫碳、流體溶解脫碳、底辟作用和熔融作用脫碳。其中,板片熔融脫碳被普遍認(rèn)為僅發(fā)生于極熱的俯沖帶,而不會(huì)出現(xiàn)在中等或冷俯沖帶。該團(tuán)隊(duì)前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水可以降低含碳沉積物的固相線 (Chen et al. CE&E 2023)。蛇綠碳酸巖既富水也富碳,可以賦存于俯沖板塊內(nèi)部和地幔楔底部,可能在俯沖帶水/碳循環(huán)過程中扮演重要角色,然而,與沉積物和蝕變洋殼碳酸鹽俯沖循環(huán)相比,蛇綠碳酸巖引起的揮發(fā)分循環(huán)機(jī)制尚有諸多未知。
為了研究蛇綠碳酸巖俯沖引起的水和碳循環(huán)機(jī)制,張國(guó)良研究團(tuán)隊(duì)通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)厘定了蛇綠碳酸巖在2.5-6 GPa下的相平衡關(guān)系(圖1)。結(jié)果顯示:蛇綠碳酸巖固相線溫度可以低至~800 且隨著壓力的升高而降低,固相線以上生成含水碳酸巖熔體;蛇綠碳酸巖完全脫水溫度要比固相線溫度至少低100 ,這意味著(變質(zhì))蛇綠碳酸巖熔融需要外來(lái)流體加入。結(jié)合俯沖板片的熱結(jié)構(gòu)和蛇紋巖脫水條件(圖2),位于地幔楔底部的蛇綠碳酸巖被板片拖拽到深部過程中,會(huì)先脫水形成無(wú)水變質(zhì)蛇綠碳酸巖,變質(zhì)蛇綠碳酸巖到達(dá)弧下深度后會(huì)與板片來(lái)源的流體相互作用,在熱、中等甚至冷俯沖帶都會(huì)發(fā)生水促熔融(flux melting)并生成含水碳酸巖熔體;俯沖板塊攜帶的蛇綠碳酸巖僅脫流體,這種流體富水、含CO2極低(圖3),意味著俯沖板塊蛇綠巖攜帶的碳大部分會(huì)俯沖進(jìn)入更深的地幔。

圖1. 高溫高壓實(shí)驗(yàn)限定的蛇綠碳酸巖相圖

圖2. 蛇綠碳酸巖脫水和熔融條件
(Atg- 蛇紋石; Brc-水鎂石;Chl-綠泥石。顏色較深的紅、藍(lán)和綠代表俯沖板片頂部熱、中等和冷俯沖地溫曲線,而相應(yīng)的淺色代表莫霍面的地溫曲線,括號(hào)數(shù)字代表相應(yīng)礦物組合的含水量)

圖3. 熱力學(xué)模擬計(jì)算獲得的蛇綠碳酸巖固相線以下流體中CO2含量(摩爾比)

圖4. 蛇綠碳酸巖熔融和脫揮發(fā)分示意圖
地幔楔底部的變質(zhì)蛇綠碳酸巖與板片來(lái)源的流體相互作用發(fā)生水促熔融(flux melting),俯沖板塊蛇綠碳酸巖僅發(fā)生脫揮發(fā)分生成富水、貧CO2流體。
以上研究創(chuàng)新性在于將俯沖帶脫碳與板片脫水過程相互結(jié)合起來(lái)研究,明確了俯沖帶水與碳相互作用的重要性,揭示了含水碳酸巖熔體是弧下深度搬運(yùn)碳的主要介質(zhì)(圖4)。該項(xiàng)成果對(duì)探討俯沖帶深部碳循環(huán)過程和脫碳效率具有重要意義。
論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所特別研究助理陳偉博士,通訊作者為張國(guó)良研究員,合作者包括印度Thapar文理學(xué)院Shantanu Keshav教授和河海大學(xué)彭衛(wèi)剛博士。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
相關(guān)論文:
Chen, W(陳偉)., Keshav, S., Peng, W. G(彭衛(wèi)剛) & Zhang, G.L (張國(guó)良). Coupled cycling of carbon and water in the form of hydrous carbonatitic liquids in the subarc region. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (2023). https://doi.org/10.1029/2023JB026681
Chen, W(陳偉)., Zhang, G.L (張國(guó)良)., Keshav, S & Li, Y(李元). 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
Chen, W(陳偉)., Zhang, G.L (張國(guó)良)., Takahashi, E (高橋榮一) & Li, L(李立). Flux melting of subducting carbonated sediments: An experimental study. Geosystems and Geoenvironment (2023). https://doi.org/10.1016/j.geogeo.2023.100218
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