水引发沉积碳从俯冲板片迁移至弧前地幔的实验约束

H2O-induced sedimentary carbon migration from subducting slabs to the forearc mantle

沉积碳酸盐中的碳在全球俯冲带碳输入量中占据主导,其俯冲命运影响着全球碳循环.在弧前深度,俯冲板片携带的水约32%通过板片脱水作用被释放,可能极大促进沉积碳迁移至弧前地幔.然而,在考虑外来含水流体渗透作用的前提下,板片在弧前区域释放的沉积碳量仍存在争议(极少量vs.大量).为探究在弧前深度含水流体对沉积碳迁移的影响程度,文章以碳酸盐为主的含水沉积物(1.14wt.%HO)和方辉橄榄岩为起始物质,在压力1.5GPa、温度600~1000℃条件下进行一系列不同时长的高温高压分层反应实验.此外,无水沉积物-方辉橄榄岩反应实验作为对比来观察水在沉积碳迁移中的作用.实验结果显示,在固相线之下的含水实验(600~900℃)中,(1)由于交代反应,在沉积物-橄榄岩交界处形成白云石+单斜辉石反应带;(2)沉积物层方解石Ca#(100×Ca/[Ca+Mg+Fe],摩尔比)随着靠近反应带显著降低;(3)在上层方辉橄榄岩层中出现新生白云石和韭闪石.以上现象均未在无水实验中观察到.在固相线之上的实验(1000℃)中,含水碳酸盐熔体与方辉橄榄岩之间的相互作用导致橄榄石+单斜辉石+韭闪石+CO反应带的形成.实验结果表明含水流体不仅能显著促进俯冲沉积物和上覆地幔楔橄榄岩之间的化学反应和成分交换,还能引发俯冲沉积碳迁移至弧前地幔.基于实验研究结果估计,全球约50%俯冲沉积碳在弧前深度被释放.释放的碳和水分别以碳酸盐(如白云石)和含水矿物(如韭闪石)的形式稳定存在于弧前地幔.这表明弧前地幔可能是一个重要的碳储库.研究为部分未通过弧火山返回大气的碳的命运提供了一种解释.