破解深部碳循環(huán)謎題：俯沖帶流體中或并不存在“碳-硅種型”
文章來源：程南飛 | 發(fā)布時(shí)間：2025-04-30 | 【打印】 【關(guān)閉】
近日，深海極端環(huán)境模擬研究實(shí)驗(yàn)室程南飛副研究員（第一作者）、周義明研究員（通訊作者）及其合作者在地球科學(xué)國際權(quán)威雜志《Communications Earth & Environment》上發(fā)表了題為“Carbon-silicon species are unlikely in subduction-zone fluids”的研究成果。
該研究聚焦于俯沖帶中的含碳流體。這些流體在地球深部碳循環(huán)和全球氣候變化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用（圖1）。鑒于地球內(nèi)部以硅酸鹽為主，含水流體中碳-硅種型（C-Si species）的存在性對于評估從俯沖板塊到地幔楔塊并最終到地球表面的碳通量的規(guī)模至關(guān)重要，但該存在性仍然存在爭議。為了解決這一爭議，我們在與以往實(shí)驗(yàn)研究相當(dāng)?shù)母_帶條件下，利用可視反應(yīng)腔（例如，熱液金剛石壓腔）和拉曼光譜儀對含有碳和硅的高溫高壓流體進(jìn)行了全面的原位調(diào)查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在接近C-CO2緩沖劑的氧化條件下，未發(fā)現(xiàn)任何碳-硅種型存在的證據(jù)（見圖2）。值得注意的是，在還原條件下，在不含硅酸鹽的含CH4高溫流體甚至是純CH4氣相中，出現(xiàn)了一個(gè)靠近CH4主峰的肩峰（圖3）。這在以前被解釋為碳-硅種型的證據(jù)，我們的結(jié)果表明它只是來自CH4的熱峰。因此，俯沖帶流體中不大可能存在碳-硅種型，我們無需根據(jù)該假設(shè)調(diào)整現(xiàn)有的深部碳循環(huán)模型。
圖1. 以深部碳循環(huán)為視角的俯沖帶示意圖。碳通過多種途徑參與深部循環(huán)：(I)沉積巖和大洋巖石圈（即地殼和巖石圈地幔）巖石向俯沖帶輸入碳。(II)在俯沖過程中，碳通過脫揮發(fā)分作用、溶解及部分熔融等方式從俯沖板塊中釋放。(III)部分碳被進(jìn)一步帶入地幔深處并儲存；(IV)一部分碳通過弧火山作用重新返回地表。需要注意的是，俯沖板片中碳的釋放可以用兩種端元模式來解釋。①傳統(tǒng)模式：認(rèn)為俯沖板塊釋放的流體和熔體導(dǎo)致地幔楔發(fā)生部分熔融，從而產(chǎn)生弧巖漿；②混雜巖（mélange）模式：認(rèn)為俯沖板塊的沉積物、蝕變洋殼和水化的地幔物理混合形成的混合巖，以底辟（diapirs）的形式上升到地幔楔，熔化后產(chǎn)生弧巖漿。
圖2. 比較純H2O（H1實(shí)驗(yàn)）、SiO2-H2O（S1實(shí)驗(yàn)）和SiO2-COH（S2-6實(shí)驗(yàn)）體系在800 ℃和約1.5 GPa下超過一小時(shí)的含水流體拉曼光譜。請注意，光譜的基線已校正，強(qiáng)度已根據(jù)近3600 cm-1處的H2O峰高進(jìn)行了歸一化處理。
圖 3 2800-3000?cm-1波長區(qū)域內(nèi)從高溫到低溫還原的含CH4的含水流體和氣相的拉曼光譜擬合結(jié)果。在C1實(shí)驗(yàn)中，鋯石被用作壓標(biāo)。800和850 ℃的拉曼光譜是在加熱過程中收集的，而400和25 ℃的光譜則是在達(dá)到最高溫度后冷卻過程中獲得的。在C2實(shí)驗(yàn)中，沒有使用壓標(biāo)，以消除潛在的硅酸鹽干擾。600和700 ℃的拉曼光譜是在加熱過程中采集的，而400和25 ℃的拉曼光譜是在達(dá)到最高溫度后冷卻過程中采集的。請注意，紅色曲線表示擬合的CH4主峰，藍(lán)色曲線表示擬合的肩峰。
論文信息：Cheng N., Chou I.-M.*, Chen Y., Duan Z., Wang X. and Yan H. (2025) Carbon-silicon species are unlikely in subduction-zone fluids. Communications Earth & Environment, 6.
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