俯冲带碳循环过程调控着地球内部和表层之间碳交换和分配，因而显著影响地球的长期气候环境演化和宜居性。在汇聚板块边界，俯冲板片携带了大量无机碳（碳酸盐）和有机碳进入地幔，并在弧前—弧下深度将部分碳从板片中释放，这些碳通过火山作用最终回到地表。准确厘定碳从俯冲板片中释放的机制和效率是定量约束碳循环关键环节。在弧前-弧下深度，俯冲板片中的碳主要以（变质）碳酸盐的形式存在。两个关键碳酸盐相CaCO3（方解石/文石）和CaMg(CO3)2（白云石）主导了俯冲板片中碳的释放。目前，大量学者对CaCO3相（俯冲前碳酸盐的主要形式）的脱碳行为开展了详细研究，揭示出流体作用下CaCO3溶解、变质作用和底劈等过程对CO2释放具有重要贡献。
然而，对另一种碳酸盐白云石的脱碳机制和效率尚存在较大争议。实验岩石学工作表明白云石在变质流体中的溶解度非常低（大约是方解石的1/10），因此早期研究认为白云石对脱碳的贡献很有限；最新实验工作发现白云石可以不一致溶解的方式引发CO2的迁移（CaCO3端元被溶解，MgCO3端元形成菱镁矿）。然而，实验研究所用的流体通常为纯水或富NaCl溶液，而自然界俯冲带流体则更富集Si和Al等组分。这些富溶质流体能否引发白云石中CO2被释放以及脱碳机理尚不清楚。考虑到俯冲至地幔深度时，板片中白云石比文石更普遍，上述问题阻碍了我们对俯冲碳行为和通量的准确认识。
针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化学科中心郭顺研究员及所内合作者与瑞士伯尔尼大学Joerg Hermann教授和加拿大多伦多大学初旭教授联合，对大别超高压变质地体经历深俯冲的白云岩开展了精细变质岩石学、C-O同位素、年代学和热力学-元素迁移模拟综合研究。研究发现白云岩与榴辉岩接触带广泛发育Si-Al-Ti反应带（reaction zone）和反应脉（reaction vein）（图1），这些反应带和反应脉（以绿泥石、斜硅镁石和方解石为主要矿物，图2）由榴辉岩释放的高压-超高压Si-Al-Ti流体与白云岩通过交代反应形成：
9 Dol + 4 SiO2 (aq) + H2O (aq) = 9 Arg (Cal) + Chu + 9 CO2 (1)
5 Dol + 3 SiO2 (aq) + Al2O3 (aq) + 4 H2O (aq) =5 Arg (Cal) + Chl + 5 CO2 (2)
图1 A. 超高压白云石大理岩和榴辉岩分布的素描图;B. 大理岩与榴辉岩之间的反应带；C. 榴辉岩中发育的变质脉体；D-F. 大理岩中的反应脉
图2 A-D. 大理岩中反应脉的显微照片和μ-XRF面扫描图；E-F. 反应脉的显微照片和BSE图像；G、H. 反应脉中斜锆石和锆石矿物学特征；I、J. 斜锆石和锆石的U-Pb年龄
反应带/脉中的锆石-斜锆石结构关系和年代学分析指示流体交代过程至少经历两个世代（238.1± 1.4 Ma和224.3± 1.6 Ma），对应于进变质和超高压的两次脱水事件。精细质量平衡计算表明反应带/脉形成过程中CO2丢失量为67–84%，Ca丢失量为34%–67%，Mg几乎不迁移（图3）。这说明CO2的丢失并不是简单的溶解过程（CO2、Ca和Mg的丢失比例应为2:1:1）。根据反应相关系、碳酸盐CL结构和元素迁移比例，确定白云岩中CO2的丢失受两个机制共同控制：（1）白云石取代反应。根据反应1和2，此过程脱CO2量为50%；（2）反应1和2形成产物CaCO3，这些CaCO3在流体中被进一步溶解导致17-34%的CO2被迁移。其中过程（1）主要出现在早期流体渗透阶段；过程（2）在两个流体渗透阶段均发生。因此，白云石脱碳过程是多期流体交代作用共同叠加的结果。
该研究取得如下新认识和启示：（1）明确深俯冲白云石大理岩在流体作用下可以发生显著脱碳，定量限定了脱碳效率，这对理解和评估俯冲带CO2通量具有重要意义；（2）揭示俯冲板片中白云石与方解石/文石在脱碳机制上存在显著差异（图4），发现俯冲板片脱碳是脉冲式的多期累积过程，而并非由单一流体事件控制；（3）发现俯冲白云石持续释放CO2过程中，Mg将重新分配进入硅酸盐（因此并未进入弧下深度的流体相），即Mg和CO2解耦，这一结果与岛弧火山岩的Mg同位素结果一致。（4）证明俯冲大理岩通过水/岩反应将大量H2O和高场强元素吸纳在其中并带至更深部地幔，从而限制了这些组分从弧下深度的俯冲板片中释放。
图3 A、B.大理岩-反应脉和大理岩-反应带的全岩分析样品点。C、D. 流体-大理岩反应过程中各种组分迁移程度和沿剖面的C-O同位素变化
图4 俯冲带流体—两类碳酸盐反应机制、脱碳方式和脱碳效率示意图
研究成果发表于国际地学期刊Geology（郭顺*，Joerg Hermann，初旭，胡雅馨，陈意，费晨辉，李秋立）。Substantial carbon dioxide release from subducted dolomitic carbonate driven by episodic infiltration of eclogite-facies fluids[J]. Geology,2025,53 (4):328-332. DOI: 10.1130/G52670.1.）。研究受中科院B类先导专项、国家自然科学基金委、中国科学院青促会项目等共同资助。
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