【研究亮点】桂维彬、熊发挥、刘锦等—EPSL：浅部俯冲带水-碳耦合循环新机制

　　俯冲带是地球深部物质交换与水碳循环的关键枢纽。在俯冲洋壳与上覆沉积物中，碳酸盐（主要为碳酸钙，CaCO3）和由超镁铁质岩石水热蚀变形成的含水矿物（如水镁石，Mg(OH)2）分别是重要的碳和水挥发分载体。前人研究多将碳酸盐矿物与含水矿物的物理化学行为分开独立讨论，缺乏对二者协同作用的系统分析。在浅部俯冲带富含水镁石的硅不饱和环境（如蛇纹石化断裂带）中，这两种常见矿物之间的化学相互作用及其对深部水-碳耦合循环的潜在影响，此前较少有系统的实验研究。

　　针对上述科学问题，中国地质科学院地质研究所桂维彬博士、熊发挥研究员与燕山大学高压科学中心刘锦教授团队开展合作研究，利用多面顶压机，针对浅部俯冲带条件（1.0–3.0 GPa），对碳酸钙与水镁石体系的化学稳定性与结构演化开展了详细的高温高压实验研究。结合扫描电镜（SEM）、拉曼光谱和X射线衍射（XRD）等多种微区分析与相态鉴定技术，研究团队揭示了流体介导的广泛相互作用，厘清了不同热力学区间下的反应机制，取得以下重要认识：

（一）较低温度下流体介导的离子交换反应生成羟钙石，揭示了一种新的深部水载体

　　在200–650 °C的较低温度区间（对应典型的浅部俯冲带环境），碳酸钙-水镁石体系内并未发生显著的脱水或还原反应，而是通过流体介导发生了Ca-Mg离子交换反应，生成羟钙石（氢氧化钙，Ca(OH)2）和菱镁矿（MgCO3）等矿物（图1）。这一发现表明，板片中初始含水矿物中的水，可以在俯冲带浅部通过反应封存于羟钙石中，并随板片俯冲深入地幔过渡带，羟钙石也因此成为一种重要的深部水运移潜在载体。

　　此外，这一机制也为长期以来俯冲带钙同位素分馏的谜题提供了新的解释。海洋沉积碳酸盐富集轻钙同位素，但这种轻钙同位素信号在岛弧玄武岩中普遍缺失，反而在部分洋岛玄武岩（OIB）中被发现。本研究表明，浅部俯冲带生成的羟钙石优先继承了碳酸盐的轻钙同位素特征，并在俯冲过程中将其稳定封存并带入深部地幔，从而有助于解释岛弧与洋岛玄武岩中轻钙同位素的分布差异。

图1 高温高压实验淬火样品的代表性扫描电镜（SEM）微观图像

（二）较高温度下水镁石脱水诱发碳酸盐还原，提供了深部碳封存的新路径

　　在750–900 °C的高温及相对还原环境（fO2<ΔFMQ-4.5）下，水镁石脱水释放的流体促使碳酸盐发生显著还原反应，生成了结晶良好的石墨（图2）。以往研究表明，碳酸盐在富水、低温条件下还原倾向于生成甲烷（CH4），而本研究证实，在流体相对受限的高温体系中，热力学平衡会驱使该反应生成化学性质更稳定的石墨。这一过程为俯冲带碳封存提供了新路径：相较于易迁移的甲烷，石墨的化学稳定性更高，其形成可有效降低碳在火山脱气中返回地表的通量，从而将更多碳封存并输运至深部地幔，并可能与超深金刚石的形成有关。

图2 浅部俯冲带温压条件下碳酸盐与水镁石的不同反应机制图解

（三）含水矿物的存在显著促进了碳酸钙向高压相文石的相变

　　此外，本研究的实验结果表明含水矿物的存在对高压下碳酸钙的晶体结构稳定性也具有显著影响。拉曼光谱及X射线衍射结果显示，在纯碳酸钙的方解石相稳定温度压力条件下，与水镁石混合样品中碳酸钙已完全转变为高压相文石（图3）。这是由于在干燥条件下，方解石向文石的转变为固-固相变，需要克服较高的能垒；但在流体环境下，这一转变通过溶解-沉淀机制进行，显著降低了相变能垒。同时，流体中微量的Mg2+离子的置换也有效抑制了方解石的形成，促进了文石的沉淀。这表明，在俯冲带浅部含水矿物普遍存在的环境下，碳酸钙向文石的相变深度可能比传统无水热力学模型预测的要浅得多。

图3 淬火样品中碳酸钙相态随温压条件的变化图解

图4 碳酸钙与含水矿物相互作用驱动的俯冲带深部水-碳耦合循环模式图解

　　该研究通过对浅部俯冲带硅不饱和域内碳酸钙与水镁石相互作用的系统实验研究，突破了以往将碳与水孤立看待的传统观点，揭示了复杂的深部水-碳耦合地球化学过程（图4）。研究为羟钙石作为新型深部水载体以及局部脱水流体触发石墨化固碳提供了重要实验证据，不仅丰富了俯冲带挥发份稳定性的理论体系，更表明地球深部碳-水循环模型中需重新评估含水矿物与碳酸盐协同演化的重要影响。

　　本研究得到国家自然科学基金（92479212，U2344202，42172069，42272048）、国家重点研发计划（2023YFF0804401）和河北省自然科学基金（D2024203001，D2025203002，2023HBQZYCSB008）等项目的联合资助。成果发表在国际著名地球科学期刊《Earth and Planetary Science Letters》上：Gui, W.B., Liu, J.*, Hu, J., Sun, P.H., Deng, A., Tian, Y.J., and Xiong, F.H.*, 2026, Calcium carbonate interactions with brucite in shallow subduction zones and implications for deep water-carbon cycles. Earth and Planetary Science Letters, 684, 120022.

　　https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120022.