破解深部碳循環謎題：俯沖帶流體中或并不存在“碳-硅種型”
文章來源：程南飛 | 發布時間：2025-04-30 | 【打印】 【關閉】
近日，深海極端環境模擬研究實驗室程南飛副研究員（第一作者）、周義明研究員（通訊作者）及其合作者在地球科學國際權威雜志《Communications Earth & Environment》上發表了題為“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和全球氣候變化中發揮著關鍵作用（圖1）。鑒于地球內部以硅酸鹽為主，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模至關重要，但該存在性仍然存在爭議。為了解決這一爭議，我們在與以往實驗研究相當的俯沖帶條件下，利用可視反應腔（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行了全面的原位調查。實驗結果顯示，在接近C-CO2緩沖劑的氧化條件下，未發現任何碳-硅種型存在的證據（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，出現了一個靠近CH4主峰的肩峰（圖3）。這在以前被解釋為碳-硅種型的證據，我們的結果表明它只是來自CH4的熱峰。因此，俯沖帶流體中不大可能存在碳-硅種型，我們無需根據該假設調整現有的深部碳循環模型。
圖1. 以深部碳循環為視角的俯沖帶示意圖。碳通過多種途徑參與深部循環：(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傳統模式：認為俯沖板塊釋放的流體和熔體導致地幔楔發生部分熔融，從而產生弧巖漿；②混雜巖（mélange）模式：認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，熔化后產生弧巖漿。
圖2. 比較純H2O（H1實驗）、SiO2-H2O（S1實驗）和SiO2-COH（S2-6實驗）體系在800 ℃和約1.5 GPa下超過一小時的含水流體拉曼光譜。請注意，光譜的基線已校正，強度已根據近3600 cm-1處的H2O峰高進行了歸一化處理。
圖 3 2800-3000?cm-1波長區域內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果。在C1實驗中，鋯石被用作壓標。800和850 ℃的拉曼光譜是在加熱過程中收集的，而400和25 ℃的光譜則是在達到最高溫度后冷卻過程中獲得的。在C2實驗中，沒有使用壓標，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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