碳化地幔橄榄岩代表俯冲沉入CO2的隐藏库

为何地球隐匿的碳很重要

二氧化碳不仅在大气、海洋和地表生物之间往返。大量碳被拖入地球深处，在那儿可被锁存数百万年，帮助维持行星气候的平衡。本研究考察了阿曼一组不寻常的岩石，它们似乎在地下深处囚禁了大量碳。通过弄清这些碳是如何、何时以及从何处到达的，作者为地球长期碳循环中“失落”的一部分提供了新见解。

海底与深地相遇之处

在某些板块边界处，洋壳会弯曲并在称为俯冲的过程中沉入另一板块之下。该板块上的沉积物和被改变的海洋地壳富含含碳矿物和含水流体。随着下沉，它们受热并释放流体，这些流体可能上升进入之上的地幔楔。在阿曼，一大片古老海底与上地幔的组合体——塞迈尔蛇绿岩套（Semail Ophiolite）被推覆到陆地上，保留了一个昔日俯冲带的横剖面。在这一体块内，研究者检查了一口钻芯（BT1b孔），该钻芯从较少变化的地幔岩穿过，进入明亮、完全碳化的岩石——称为石英岩（listvenite），这些岩石总体上可能天然储存了约十亿吨CO2。

讲述流体历程的岩石

当富含碳的流体通过高温岩石时，会留下化学指纹。研究小组聚焦于卤素——氟、氯、溴和碘——这些元素更倾向于以流体形式迁移，而非固相矿物。通过高精度微区分析，测量贯穿部分蚀变到完全碳化岩石过渡区内蛇纹石、碳酸盐和其他矿物中的这些元素，他们追踪了流体如何移动和演化。结果发现，随着蛇纹岩逐渐转变为富碳酸盐的石英岩，氯被驱逐的程度远大于溴或碘。这产生了具有特征性卤素比率的演化流体，可与俯冲带更深处的可能来源相匹配。

追踪隐藏碳的路径

卤素模式显示，造成大规模碳酸化的流体并非仅仅是从沉积物中挤出的浅层海水。相反，它们是沉积物孔隙水与来自俯冲板块更深处、富含CO2的流体的混合物，后者由于加热导致碳酸盐溶解或分解。将流体化学需要如何演变以匹配岩石数据的模型结果表明，这些流体相比盐分携带了异常高的碳含量。当这些流体进入前弧地幔——位于板片之上但在火山弧之前的区域——它们与橄榄岩和蛇纹化岩发生反应，逐步将其转化为石英岩，并将溶解的CO2锁定成固态、稳定的碳酸盐矿物，这些矿物可在地质时间尺度上长期存在。

解开冲突的年代信息

先前对类似岩石中碳酸盐脉的年龄测定表明，阿曼的部分石英岩形成时间远晚于该区域俯冲停止的时间，这暗示这些流体起源可能是局部且较近的事件。新研究显示，所研究钻芯的主要碳酸化阶段在化学上与俯冲相关流体相联系，而非后来的事件。作者将过程区分为两个阶段：早期富菱镁矿（magnesite）的阶段，与具有一种卤素特征的俯冲流体相关；以及较晚期更富钙（dolomite）的一阶段，具有不同的卤素模式，可能反映更年轻的构造或岩浆活动。他们认为较年轻的年龄主要对应这一第二个、覆盖改写的事件，而非最初大规模圈存碳的时期。

这对地球气候引擎意味着什么

通过将流体化学与对全球沉积物孔隙水逸出量的独立估算相结合，研究者估计从俯冲板片更深处进入前弧地幔的富CO2流体每年可能携带约1.7–3.4 × 10^13克碳。这可能占进入俯冲带碳的大部分——最多可达90%。换言之，像这些碳化地幔橄榄岩的岩石可能代表一个重要且此前被低估的汇，能使大量俯冲的碳既不经火山迅速返回大气，也不进入更深地幔。由于产生此类岩石的条件依赖于温度、沉积物类型和构造环境等因素，这个隐藏的碳库在地球历史上强度可能有变化，从而微妙地影响行星的长期气候。

引用: Carter, E.J., O’Driscoll, B., Burgess, R. et al. Carbonated mantle peridotites represent a hidden sink for subducted CO₂. Nat Commun 17, 3297 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68646-3

关键词: 俯冲带碳, 地幔碳酸化, 石英岩（listvenite）, 前弧地幔, 全球碳循环