廣州地化所黃永勝、吳國(guó)濟(jì)等-GCA+CMP：高溫高壓實(shí)驗(yàn)限定俯沖帶蛇紋巖碳酸鹽化對(duì)全球深部碳循環(huán)的影響

?碳(C)元素在地球表層與深部圈層之間的遷移與再循環(huán)過(guò)程對(duì)全球氣候變化和地球宜居性演變具有重要調(diào)控作用。俯沖帶是地球深部C循環(huán)的關(guān)鍵構(gòu)造單元。通過(guò)俯沖作用，板片將沉積有機(jī)C、蝕變洋殼和巖石圈地幔中的無(wú)機(jī)C輸入地球內(nèi)部；與此同時(shí)，深部變質(zhì)脫水/部分熔融產(chǎn)生的富C流體和熔體又將C通過(guò)火山/熱液活動(dòng)等方式返回地表系統(tǒng)。這一動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程中，含CO₂流體與鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖系發(fā)生廣泛的水–巖反應(yīng)，促使C以穩(wěn)定的碳酸鹽礦物相（如菱鎂礦、白云石等）在俯沖帶中沉淀固定。近年來(lái)，多學(xué)科交叉研究（包括：高壓–超高壓巖石學(xué)觀察、高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M和大地電磁及地震波速探測(cè)）共同揭示，俯沖帶不同深度普遍發(fā)育的碳酸鹽化蛇紋巖可能是深部C循環(huán)的重要"儲(chǔ)庫(kù)"與"中轉(zhuǎn)站"。特別是，蛇紋巖在H₂O–CO₂–NaCl多組分流體體系中的碳酸鹽化反應(yīng)，通過(guò)控制C的溶解–沉淀平衡，深刻影響著俯沖帶C通量的空間分配與時(shí)間演化。然而，該過(guò)程對(duì)全球深部C循環(huán)的定量貢獻(xiàn)仍存在三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題亟待解決：(1)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的精確限定；(2)不同溫壓條件下的C固定效率；(3)俯沖帶C收支的評(píng)估。

?為系統(tǒng)揭示蛇紋巖碳酸鹽化的動(dòng)力學(xué)特征與反應(yīng)平衡狀態(tài)，本研究設(shè)計(jì)了兩組系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)：

?1)?在140–180 MPa、300–500?°C條件下，定量限定H₂O–CO₂–NaCl流體體系中蛇紋巖碳酸鹽化速率，并評(píng)估板片彎曲斷層區(qū)域的C封存潛力；

?2)?在1.0–3.0 GPa、300–800?°C條件下，測(cè)定H₂O–CO₂–NaCl流體體系中蛇紋巖碳酸鹽化反應(yīng)程度，量化弧前蛇紋巖化地幔楔的C固定能力。

?實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：蛇紋巖碳酸鹽化速率及反應(yīng)程度與流體鹽度呈負(fù)相關(guān)，而與溫度、壓力及X_CO2呈正相關(guān)關(guān)系?；诒緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與前人研究成果，我們建立了蛇紋巖碳酸鹽化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。模型計(jì)算表明：(1)全球俯沖帶彎曲斷層中，蛇紋巖碳酸鹽化作用每年可向地幔輸送7.3–28.5 Mt?C，相應(yīng)蛇紋巖消耗量?<?1 vol%?(圖1)；(2)在15–80 km深度范圍內(nèi)，49–76%板片釋放的C可被地幔楔蛇紋巖碳酸鹽化作用固定，形成每年0.02–4.17 Mt的C封存量，蛇紋巖消耗比例為0.1–10?vol%?(圖2)。這些定量約束為建立俯沖帶C收支平衡模型提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)約束。

?本研究成果由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所黃永勝副研究員團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，聯(lián)合日本東北大學(xué)(奧村聰副教授、辻森樹(shù)教授等)及德國(guó)拜羅伊特大學(xué)(李元研究員)共同完成。系列成果已發(fā)表于礦物巖石學(xué)與地球化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Contributions to Mineralogy and Petrology》和《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

論文信息：Yongsheng Huang*;?Satoshi Okumura;?Kazuhisa Matsumoto;?Naoko Takahashi;?Hong Tang;?Guoji Wu;?Tatsuki Tsujimori;?Michihiko Nakamura;?Atsushi Okamoto;?Yuan Li.?2024. Experimental constraints on serpentinite carbonation in the presence of a H₂O–CO₂–NaCl fluid.?Contributions to Mineralogy and Petrology?179,98. DOI:?10.1007/s00410-024-02175-4

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00410-024-02175-4#Sec8

論文信息：Guoji Wu;?Yongsheng Huang*;?Michihiko Nakamura;?Tatsuki Tsujimori;?Yuan Li.?2025. Sequestration of carbon in the forearc mantle wedge.?Geochimica et Cosmochimica Acta.?DOI:?10.1016/j.gca.2025.07.002

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.07.002

圖1. 俯沖板片彎曲斷層中的蛇紋石碳酸鹽化?(Huang et al.,2024 CMP)

圖2. 俯沖帶弧前地幔楔中的蛇紋巖碳酸鹽化?(Wu et al.,2025 GCA)