【前沿報導】Nature：俯衝的碳
對於人類而言，碳是地球上最重要的元素之一。碳循環影響著大氣-海洋-生物甚至固體地球各圈層以及人類的生命。另一方面，碳是一個容易跨越多圈層遷移的元素。地球上90%以上的碳深埋於地球內部，超過2/3的碳可能存在於地球內核。大氣中的CO2被海水溶解並沉澱進入沉積物、大洋地殼和橄欖巖地幔中，同時深部地幔的巖漿作用通過島弧火山、離散邊界等排出巨量的CO2進入大氣（圖1）。作為溫室氣體，大氣中CO2的增加能導致溫室效應並影響全球氣候。碳是如此重要，但是碳在地球圈層是如何循環的？這是地球科學交叉領域中最為前沿的問題之一。時值Nature創刊150周年之際，Plank和Manning發表了題為《Subducting carbon》 的綜述文章來闡述俯衝帶碳循環的動力學過程。
圖1 地球深部碳循環可以主要分為三個階段: (I)俯衝帶碳的沉澱，包括碳酸鹽沉積物、碳酸鹽蝕變洋殼、碳酸鹽蛇紋巖以及有機碳; (II) 俯衝帶碳的運移，包括碳在弧下深度通過混雜巖的底闢作用、變質作用脫碳、板塊頂部的熔融作用等，以及剩餘碳進入深部地幔; (III)碳在島弧，離散邊界等將碳排出到地表（據Plank and Manning, 2019修改）
Plank and Manning（2019）估計了碳循環各個環節的通量，估算火山噴發的碳排放為79±9 megaton/year，而碳匯量為82±4 megaton/year，這表明全球碳通量近乎持平（圖2）。儘管與Kelemen and Manning（2015）的結論相近，但他們估計沉積物中的碳是俯衝板塊中最主要的成分。100m厚的超微化石軟泥含有的碳相當於整個洋殼的含碳量。碳匯量可能取決於方解石補償深度（calcite compensation depth，簡稱CCD，指海洋中方解石生物殼體的沉降速率等於溶解速率時的深度，通常標誌含碳-無碳沉積物的分界深度）和有機碳的補給與埋藏。在Tonga、Aleutian、Kuriles-Kamchatka海溝幾乎沒有沉積碳，而Cascadia和New Zealand俯衝帶都有大量的沉積碳，印度-亞洲碰撞帶則攜帶大量的有機碳進入海溝。另外，在白堊紀和古新世-始新世暖期，方解石補償深度是3500m（Palike et al., 2012），比現今的5000m深度淺，並形成碳酸鹽洋殼。這些不同俯衝帶/碰撞帶的碳匯量差異性，是不同俯衝構造環境下多種因素影響的結果。
圖2 碳通量平衡：地幔攝取的碳與排出的碳近乎相等（Plank and Manning, 2019）
俯衝帶碳酸鹽的物理化學性質是理解碳循環動力學的關鍵。傳統的觀點認為只有在板塊非常熱的情況下，俯衝板塊在弧下深度才能釋放碳，比如Cascadia板塊。這種觀點通常低估了碳循環的效率，且與俯衝帶島弧巖漿排碳的觀測相矛盾。最近的研究發現，碳（碳酸鹽物質如方解石、文石、白雲石、菱鎂礦、菱鐵礦）易被流體溶解形成含碳流體、板塊頂部的混雜巖形成底闢構造或者板塊頂部的脫水熔融（尤其是沉積物的熔融）而進入矽酸鹽熔體等方式在弧下深度進入上覆地幔楔。這些機制中的一種或更可能的是多種，因此碳循環的效率要比傳統的觀點高很多。變質脫碳過程可能發生於所有俯衝帶，但控制這些脫碳效率的關鍵則在於板塊本身的性質。例如在冷俯衝帶Tonga，主要俯衝的是碳酸鹽蝕變玄武巖，板塊含有少量的碳，並且脫水作用弱，使得脫碳效率低；而與之相對應地，以碳酸鹽沉積物為主的熱的Cascadia板塊的脫碳效率高(圖3)。
揮發分（以C-O-H為主）的存在會極大地降低巖石的熔點。在400km深度左右，碳酸鹽蝕變玄武巖的達到發生熔融的溫壓條件（Thomson et al., 2016）。但是金伯利巖的橄欖石捕虜體的研究表明：隨著壓力增大，更多的Fe3+溶於地幔矽酸鹽中，地幔氧逸度也降低（Frost and McCammon, 2008）。深部還原環境的地幔會將碳還原為石墨、金剛石和碳化物。例如，Rohrbach and Schmidt（2011）認為在超過250km深度，地幔中Fe是飽和的，因此碳會以金剛石的形式存在，俯衝板塊將這些惰性的碳運移到更深的地幔。在轉換帶深度發生部分熔融的碳酸鹽巖熔體像水一樣，具有很強的流動性。這些熔體通過高孔隙通道進入周圍地幔，可能在巖石圈下方形成含金剛石的金伯利巖（Sun and Dasgupta, 2019）。
圖3 全球幾個俯衝帶的碳攝入方式（Plank and Manning, 2019）
俯衝過程能產生大量的火山作用。CO2通過火山噴出，但目前的技術手段都很難測量原巖中的CO2含量。大量的碳以碳酸鹽溶於熔體中，超過1wt% CO2達到了過飽和，因此熔體穿過地殼時可能丟失部分碳，加上大氣中的CO2幹擾，使得對原巖中碳含量的估計失準。近來新發展的一種技術是測量CO2/S比值。當島弧具有高CO2/S比值時，則表明與俯衝的沉積碳相關；反之則沒有沉積碳。另一種方法是火山氣體中碳同位素比值δ13C（註：δ13C是一個的重/輕碳同位素(13C/12C)對比指標，以南卡羅來納州Pee Dee 箭石13C/12C為0，表示為相對Pee Dee箭石中13C/12C的偏差，與俯衝帶有機碳的含量呈正相關）。綜合C-S-He系統計算，Plank and Manning（2019）認為巖漿原巖中的CO2達到1wt%，這是洋中脊玄武巖的10倍。
Plank and Manning（2019）認為俯衝碳不是一個穩態過程，在不同俯衝帶也相差甚遠。在這篇綜述裡，他們提出了3個主要觀點:
（1） 碳俯衝的動力學過程與俯衝帶構造背景相關；
（2）碳俯衝的差異性來自於沉積物；
（3）不同碳形式的循環效率不是單一的。
儘管該文試圖定量描述俯衝帶碳循環的動力學過程，但我們依然需要清醒地認識到，當前大多研究對俯衝帶碳通量的估算過度簡化，如果考慮俯衝帶的三維結構和非均勻性、考慮碳匯和碳釋放通量垂直方向隨溫壓的變化等（圖4），估算的難度將大大增加。Plank and Manning（2019）指出，由於俯衝帶系統的複雜性，導致碳循環效率存在巨大差異，制約了我們對地質歷史氣候系統的定量評估，需要迫切開展跨學科的對俯衝碳循環系統中碳匯、運移、釋放和深部金剛石的研究，來更好地限定全球環境效應。
圖4 不同俯衝帶碳減少量（carbon removal）的估計（Plank and Manning, 2019）
可以斷定開展俯衝帶深部結構-成分多學科高解析度探測、巖石物理實驗和地球動力學模擬的綜合研究是本領域未來的必然趨勢。
參考文獻
1.Frost D J, McCammon C A. The redox state of Earth's mantle[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2008, 36: 389-420.
2.Kelemen P B, Manning C E. Reevaluating carbon fluxes in subduction zones, what goes down, mostly comes up[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(30): E3997-E4006.
3.Palike H, Lyle M W, Nishi H, et al. A Cenozoic record of the equatorial Pacific carbonate compensation depth[J]. Nature, 2012, 488(7413): 609-614.
4.Plank T, Manning C E. Subducting carbon[J]. Nature, , 2019, 574: 343-352.
5.Rohrbach A, Schmidt M W. Redox freezing and melting in the Earth’s deep mantle resulting from carbon–iron redox coupling[J]. Nature, 2011, 472(7342): 209.
6.Sun C, Dasgupta R. Slab–mantle interaction, carbon transport, and kimberlite generation in the deep upper mantle[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 506: 38-52.
7.Thomson A R, Walter M J, Kohn S C, et al. Slab melting as a barrier to deep carbon subduction[J]. Nature, 2016, 529(7584): 76–79.
（撰稿：楊建鋒，趙亮／巖石圈室）
美編：徐海潮
校對：李玉鈐