碳(C)元素在地球表層與深部圈層之間的遷移與再循環(huán)過程對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。通過俯沖作用，板片將沉積有機C、蝕變洋殼和巖石圈地幔中的無機C輸入地球內(nèi)部；與此同時，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通過火山/熱液活動等方式返回地表系統(tǒng)。這一動態(tài)循環(huán)過程中，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，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，多學科交叉研究（包括：高壓–超高壓巖石學觀察、高溫高壓實驗模擬和大地電磁及地震波速探測）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“儲庫”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，通過控制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間演化。然而，該過程對全球深部C循環(huán)的定量貢獻仍存在三個關(guān)鍵科學問題亟待解決：(1)反應動力學參數(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收支的評估。
為系統(tǒng)揭示蛇紋巖碳酸鹽化的動力學特征與反應平衡狀態(tài)，本研究設計了兩組系統(tǒng)的實驗：
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，測定H2O–CO2–NaCl流體體系中蛇紋巖碳酸鹽化反應程度，量化弧前蛇紋巖化地幔楔的C固定能力。
實驗結(jié)果顯示：蛇紋巖碳酸鹽化速率及反應程度與流體鹽度呈負相關(guān)，而與溫度、壓力及XCO2呈正相關(guān)關(guān)系?；诒緦嶒灁?shù)據(jù)與前人研究成果，我們建立了蛇紋巖碳酸鹽化動力學參數(shù)的經(jīng)驗公式。模型計算表明：(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)鍵的實驗約束。
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)
本研究成果由中國科學院廣州地球化學研究所黃永勝副研究員團隊主導，聯(lián)合日本東北大學奧村聰副教授、辻森樹教授等及德國拜羅伊特大學李元研究員共同完成。系列成果已發(fā)表于礦物巖石學與地球化學領域權(quán)威期刊Contributions to Mineralogy and Petrology和Geochimica et Cosmochimica Acta。國科大碩士生導師、中國科學院廣州地球化學研究所黃永勝副研究員為2篇發(fā)表文章的通訊作者；國科大博士生、中國科學院廣州地球化學研究所吳國濟為Geochimica et Cosmochimica Acta發(fā)表文章的第一作者。
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
（原標題：廣州地化所研究揭示高溫高壓實驗限定俯沖帶蛇紋巖碳酸鹽化對全球深部碳循環(huán)的影響）