全球碳循环一直以来备受关注。研究碳在俯冲带中的迁移方式以及通量是理解地球表层与内部碳循环的关键。碳酸盐作为主要的含碳相，在深部碳循环过程中扮演着至关重要的角色。研究表明，尽管沉积碳酸盐对深部碳循环有一定的贡献，但是并不能平衡进入俯冲带所有的碳通量,尤其是在某些俯冲带中，这部分碳可能会完全缺失,而来自于蚀变岩石圈中的碳酸盐被证明是主要的贡献者（House et al., 2019; Plank and Manning, 2019）。在海水蚀变过程中，碳酸盐能广泛地进入大洋地壳和深海橄榄岩中，并且大部分以钙碳酸盐的形式存在（Alt & Teagle; Alt et al., 2013）。俯冲板片派生的流体会将这些碳酸盐从蚀变大洋岩石圈转移到地幔楔中，并且作用于岛弧岩浆，这可能在俯冲带的碳循环中起着关键作用。钙作为碳酸盐的主要成分，也许能够为蚀变岩石圈中碳酸盐的迁移与最终命运提供直接的证据，并且有可能进一步示踪深部碳循环。海水蚀变能够明显的改变洋壳的钙同位素组成，蚀变洋壳中的碳酸盐脉具有非常大的钙同位素变化范围（δ^44/40Ca = 0.49‰ - 1.31‰；Blättler and Higgins, 2017）。在俯冲板片变质脱水过程中，含碳流体的迁移以及次生碳酸盐矿物的沉淀会导致流体中钙同位素进一步分馏（John et al., 2012）。碳会随着岩浆上升发生脱气作用，而钙作为非挥发性元素，则会被保留在固体岩石中。因此，钙同位素异常可能会被记录在地幔楔中，并且由岛弧岩浆表现出来。

针对上述科学问题，中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队博士生王霞在导师汪在聪教授的指导下，选取汤加和马里亚纳岛弧岩浆为研究对象。汤加岛弧和马里亚纳岛弧俯冲板片年龄老，蚀变岩石圈中含有丰富的碳酸盐，并且缺乏沉积碳酸盐，有很强的俯冲流体特征，这为我们探讨蚀变岩石圈中碳酸盐流体的迁移提供了最佳场所。研究结果表明：汤加岛弧新鲜玄武岩(0.84 ± 0.01‰，2sd, n = 3)和英安岩(0.84 ± 0.10‰，2sd, n = 9)具有不可区分的δ^44/40Ca，说明含水流体在岛弧岩浆结晶分异过程中的作用很小（图1）。虽然亏损的地幔楔体受到板片流体的强烈影响，但汤加岛弧(0.84 ± 0.09‰，2sd, n = 12)和马里亚纳岛弧(0.79±0.12‰，2sd, n = 9)的弧火山岩样品呈现出类似于MORB的δ^44/40Ca值（图2）。汤加和马里亚纳岛弧有大量火山二氧化碳脱气表明，部分蚀变岩石圈中的碳酸盐被板片流体带入到亏损的，缺乏碳的地幔楔中。然而，岛弧火山岩中类似于MORB的δ^44/40Ca值表明，释放的AOL碳酸盐几乎不能改变地幔楔的平均Ca同位素组成。这些结果可能归因于相对于地幔楔，板片流体迁移的碳酸盐岩的Ca含量有限或者反映了高度变化的俯冲组分对地幔楔的平均影响（图3）。地幔楔不同部位可能记录了不同俯冲流体的钙同位素信息，但是地幔楔的部分熔融会均一化这些影响，导致岛弧岩浆呈现出与MORB相似的结果（图4）。

图1：岩浆结晶分异过程中岛弧岩浆钙同位素的变化

图2：俯冲组分对岛弧岩浆钙同位素的影响

图3：流体与亏损地幔楔的钙同位素两端元混合模型。模拟表明，需要大量的流体加入（30%）才能引起地幔楔明显的钙同位素变化，而这个量是很难达到的。

图4：蚀变岩石圈中碳酸盐流体的迁移以及对地幔楔和岛弧岩浆钙同位素影响

文章信息：Wang, Xia, Wang, Zaicong*, Liu, Yongsheng, Park, Jung-Woo, Kim, Jonguk, Li, Ming, Zou, Zongqi, 2021. Calcium Stable Isotopes of Tonga and Mariana Arc Lavas: Implications for Slab Fluid-Mediated Carbonate Transfer in Cold Subduction Zones.Journal of Geophysical Research: Solid Earth126 (3) e2020JB020207.https://doi.org/10.1029/2020JB020207

主要参考文献

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Alt, J. C., & Teagle, D. A. (1999). The uptake of carbon during alteration of ocean crust.Geochimica et Cosmochimica Acta, 63(10), 1527-1535. http://doi.org/10.1016/S0016-7037(99)00123-4

House, B. M., Bebout, G. E., & Hilton, D. R. (2019). Carbon cycling at the Sunda margin, Indonesia: A regional study with global implications.Geology, 47(5), 483-486. https://doi.org/10.1130/G45830.1

Blättler, C. L., & Higgins, J. A. (2017). Testing Urey's carbonate–silicate cycle using the calcium isotopic composition of sedimentary carbonates.Earth and Planetary Science Letters, 479, 241-251. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.09.033

John, T., Gussone, N., Podladchikov, Y. Y., Bebout, G. E., Dohmen, R., Halama, R., Klemd, R., Magna, T., & Seitz, H.-M. (2012). Volcanic arcs fed by rapid pulsed fluid flow through subducting slabs.Nature Geoscience, 5(7), 489-492. http://doi.org/10.1038/ngeo1482

Plank, T., & Manning, C. E. (2019). Subducting carbon.Nature, 574(7778), 343-352. http://doi.org/10.1038/s41586-019-1643-z