海洋所在俯沖帶深部碳循環(huán)研究中取得新進(jìn)展

文章來源:深海中心碳交易網(wǎng)2023-10-19 12:03

  日前,美國地球物理學(xué)會(huì)(AGU)旗艦期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth Nature Index發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所張國良研究團(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)。

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  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。

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  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(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(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(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。

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圖1. 高溫高壓實(shí)驗(yàn)限定的蛇綠碳酸巖相圖 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com

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圖2. 蛇綠碳酸巖脫水和熔融條件 禸*嫆唻@洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

  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) 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

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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) 本+文`內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com

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圖4. 蛇綠碳酸巖熔融和脫揮發(fā)分示意圖 本+文+內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com

  地幔楔底部的變質(zhì)蛇綠碳酸巖與板片來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。     本+文+內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com

  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)(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。

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  論文第一作者為中國科學(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。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。

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  Chen, W(陳偉)., Zhang, G.L (張國良)., 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

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  Chen, W(陳偉)., Zhang, G.L (張國良)., 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 內(nèi)-容-來-自;中_國_碳_0排放¥交-易=網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

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