碳作為地球系統(tǒng)中最重要的揮發(fā)分元素之一，在生命起源與演化、全球氣候變化以及地表地質(zhì)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。板塊俯沖作用是連接地表和地球深部碳循環(huán)的關(guān)鍵地質(zhì)過程。對(duì)全球深部碳循環(huán)通量的估算發(fā)現(xiàn)弧火山活動(dòng)釋放的碳量（~23 Mt yr-1）遠(yuǎn)低于總俯沖碳量（84 ±14 Mt yr-1；Plank and Manning, 2019），意味著多數(shù)的俯沖碳參與了更長(zhǎng)時(shí)間尺度的深部循環(huán)過程。已有研究表明，在不同構(gòu)造背景下，俯沖碳在深部的賦存時(shí)間存在巨大差異，穩(wěn)定克拉通區(qū)域，再循環(huán)碳可以在地幔中長(zhǎng)期賦存（＞1.0Ga，Dasgupta and Hirschmann, 2010; Muirhead et al., 2020; Dong et al., 2024），而某些現(xiàn)代俯沖帶再循環(huán)碳的賦存時(shí)間僅有27Ma（Horton, 2021），對(duì)于大地幔楔系統(tǒng)深部碳循環(huán)的時(shí)間如何？這是深俯沖碳循環(huán)時(shí)間研究中一直沒有得到解決的問題。俯沖板塊滯留在地幔過渡帶驅(qū)動(dòng)的深部碳循環(huán)時(shí)間尺度不清限制了對(duì)于深部碳循環(huán)過程的理解。
圖1 東北亞（A）晚中生代—新生代早期玄武巖和采樣位置分布圖（B）地震層析成像
針對(duì)以上問題，我院許文良教授引領(lǐng)的“地球深部動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”成員王楓教授等，通過對(duì)比分析西太平洋俯沖-滯留板塊俯沖碳通量及其主要貢獻(xiàn)儲(chǔ)層隨時(shí)間演化，與東北亞晚中生代-新生代早期板內(nèi)玄武巖（圖1）所記錄的再循環(huán)碳量及其來源隨時(shí)間演化之間的相關(guān)性，限定了與滯留板塊相關(guān)的深俯沖碳循環(huán)的時(shí)間。具體研究成果如下：
1. 利用板塊重建模型，估算了西太平洋板塊俯沖碳通量及其貢獻(xiàn)儲(chǔ)層隨時(shí)間的變化。晚中生代—新生代早期，西太平洋俯沖板塊向深部地幔輸入的碳通量為1.4 – 14.9 Mt/yr，并分別在112 Ma、80 Ma和55 Ma顯示明顯降低趨勢(shì)（圖2）。俯沖碳的貢獻(xiàn)儲(chǔ)層在80 Ma之前以蝕變洋殼為主，而80 Ma之后蝕變洋殼的貢獻(xiàn)度顯著降低，俯沖沉積物成為深俯沖碳的主要來源（圖2）。
圖2 晚中生代—新生代早期西太平洋俯沖板塊關(guān)鍵參數(shù)和俯沖碳通量重建結(jié)果（A）俯沖帶長(zhǎng)度；（B）俯沖速率；（C）俯沖板塊年齡；（D）碳酸鹽巖厚度；（E）俯沖碳通量；（F）弧脫碳通量；（G）深俯沖碳通量；（H）西太平洋板塊單位弧長(zhǎng)內(nèi)深俯沖碳通量與全球平均值對(duì)比
2. 查明了晚中生代—新生代早期東北亞板內(nèi)玄武巖地幔源區(qū)中再循環(huán)碳量及其來源隨時(shí)間的變化。針對(duì)東北亞集中出露且時(shí)代連續(xù)的晚中生代—新生代早期板內(nèi)玄武巖（圖1），開展了全巖主微量元素和Sr–Nd–Pb–Zn同位素的綜合研究，查明了地幔源區(qū)中再循環(huán)碳量為0.4 – 1.4 wt.%（圖3C和3D），并分別在92 Ma、60 Ma和43 Ma顯示明顯的低值（圖4）。此外，不同時(shí)期地幔源區(qū)中再循環(huán)碳的來源存在明顯差異，大于60 Ma樣品的地幔源區(qū)中的碳主要來源于蝕變洋殼，而小于60 Ma樣品的地幔源區(qū)中的碳則主要來源于沉積物（圖3E-H）。
圖3 東北亞晚中生代—新生代早期板內(nèi)玄武巖源區(qū)再循環(huán)碳量及其貢獻(xiàn)端元的時(shí)間演變特征
3. 限定了東北亞大地幔楔深俯沖碳循環(huán)的時(shí)間，揭示滯留板片加速了深部碳循環(huán)過程。通過對(duì)比分析上述兩種模型，發(fā)現(xiàn)重建的西太平洋俯沖碳通量及其貢獻(xiàn)儲(chǔ)層與板內(nèi)玄武巖所記錄的再循環(huán)碳量和來源在時(shí)間演化上具有一致性，而二者協(xié)同變化之間存在平均17 Ma的時(shí)間差，代表了西太平洋俯沖碳從俯沖帶進(jìn)入到板內(nèi)巖漿活動(dòng)逃逸的循環(huán)時(shí)間，遠(yuǎn)低于前人對(duì)俯沖碳在深部地幔停留時(shí)間的估算。上述結(jié)果表明滯留板塊能夠驅(qū)動(dòng)快速的深部碳循環(huán)，意味著晚中生代—新生代早期東北亞上地幔對(duì)俯沖-滯留板塊中的碳具有相對(duì)較高的提取效率，進(jìn)而能夠有效降低上地幔黏度，提升地幔蠕變速率，從而誘發(fā)深部地幔流成為控制同時(shí)期俯沖帶演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
圖4 東北亞晚中生代-新生代早期俯沖碳循環(huán)時(shí)間約束模式圖
以上研究成果于2025年6月以“A stagnant subducted slab accelerates the deep Earth carbon cycle”為題發(fā)表于國(guó)際地質(zhì)學(xué)權(quán)威期刊《Geology》上。博士研究生張思文是論文的第一作者，王楓教授為該文的通訊作者，參與本項(xiàng)研究的還有河北地質(zhì)大學(xué)的邢愷晨、吉林大學(xué)的王旖旎、許文良和楊德彬。該工作由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0801002）和國(guó)家自然科學(xué)基金（42372065）聯(lián)合資助。研究的詳細(xì)信息請(qǐng)參考原文。
原文信息：
Si-Wen Zhang, Feng Wang, Kai-Chen Xing, Yi-Ni Wang, Wen-Liang Xu, De-Bin Yang. A stagnant subducted slab accelerates the deep Earth carbon cycle. https://doi.org/10.1130/G53422.1
參考文獻(xiàn):
Dasgupta, R., and Hirschmann, M.M., 2010, The deep carbon cycle and melting in Earth’s interior: Earth and Planetary Science Letters, v. 298, p. 1–13.
Dong, X.-H., Wang, S.-J., Wang, W., Huang, S., Li, Q.-L., Liu, C., Gao, T., Li, S., and Wu, S., 2024, Highly oxidized intraplate basalts and deep carbon storage: Science Advances, v. 10, p. eadm813.
Horton, F., 2021, Rapid recycling of subducted sedimentary carbon revealed by Afghanistan carbonatite volcano: Nature Geoscience, v. 14, p. 508–512.
Muirhead, J.D. et al., 2020, Displaced cratonic mantle concentrates deep carbon during continental rifting: Nature, v. 582, p. 67–72.
Plank, T., and Manning, C.E., 2019, Subducting carbon: Nature, v. 574, p. 343–352.
