全球气候变暖（大气中CO₂等温室气体升高）已成为21世纪人们生活中最关注的科学问题之一，对于地质学家来说，最感兴趣的是地质历史时期地球气候的演化规律、宜居地球是如何形成的以及预测未来地球气候的变化。地质学家普遍认为板片构造作用通过控制地表碳在俯冲带进入地幔的通量和火山作用向大气释放碳的通量，从而驱动了地质历史时期地球气候的演化。于是在2008-2018年全球地质学家联合开展了十年的“深部碳观测计划”工作，旨在了解板片构造作用中碳在地球不同储库中的储存、迁移和释放及其对全球气候和生命的影响。

大气中的CO₂可以通过硅酸盐岩风化作用最终以碳酸盐的形式储存在大洋板片中或者通过植物光合作用最终以有机物的形式埋藏在大洋沉积物中。在俯冲带，俯冲的大洋板片可以携带其中的碳酸盐化洋壳、含碳沉积物和灰岩进入地球深部，运输的碳通量为68–96 Mt C y⁻¹（百万顿碳每年），其中25%的碳是在俯冲灰岩中（~21.4 Mt C y⁻¹）(图1)。前人研究表明，只有灰岩在广泛的流体渗透和变质作用过程中可以幸存下来，并随板片俯冲到岛弧深度，而碳酸盐化洋壳和含碳沉积物中的碳则大部分在弧前被释放。因此，灰岩很可能是碳在俯冲带岛弧深度的主要储库(图1)。澳大利亚麦考瑞大学和中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队合作开展灰岩-橄榄岩高温高压反应实验岩石学研究，结合浮力动力学模拟计算约束这些灰岩在俯冲带的命运。结果表明尽管灰岩中的水和黏土会显著降低固相线，灰岩的熔融温度比俯冲带的温度明显更高，指示了俯冲过程中灰岩不会发生熔融(图2)。我们的计算结果显示相对于地幔楔橄榄岩，灰岩具有极低的密度和粘度，这意味着这些灰岩很可能会发生底辟作用。我们收集了全球俯冲带含灰岩的沉积岩岩层厚度数据，结合密度和粘度以及俯冲带温压条件，开展浮力动力学模拟计算，结果支持大部分灰岩会在72–105 km深度发生底辟作用 (图3a-b)。并且有意思的是，实验结果还表明进入地幔楔之后的灰岩底辟体也不会发生大规模的熔融作用（即使在热的地幔楔中熔融程度也只有20%）, 而是以固态的形式保存在地幔楔或大陆下地壳中(图3c)。

结合俯冲带灰岩的碳通量（~21.4 Mt C y⁻¹），灰岩的俯冲和底辟作用会导致大量的碳储存在汇聚板块边缘，形成一个在前人研究中被忽略的、但非常重要的碳储库。这个碳储库的稳定和释放很可能控制着地质历史时期大气CO₂浓度和气候变化。在板片构造作用活跃时期，由于大量的岛弧岩浆发育，其在上升过程中同化混染储存在汇聚板块边缘的灰岩（大理岩）底辟体，使这一汇聚在板块边缘的碳储库被重新活化并随岛弧火山作用释放进入大气，导致大气CO₂浓度升高和气候变暖。而在板片构造作用相对安静时期，这个碳储库相对稳定，向大气释放的CO₂减少，因此大气CO₂浓度降低和气候变冷。这项研究为板片构造作用如何控制地质历史时期大气CO₂浓度和气候变化提供新的视角。

图1. 俯冲带碳储库和通量。

图2. 灰岩-橄榄岩高温高压反应实验的熔融曲线。

图3. 俯冲带含灰岩沉积物的底辟过程及碳通量（a-b）和灰岩在地幔楔的熔融行为（c，红色的线指示灰岩残余的比例）。

论文信息：Chen, Chunfei*, Förster, Michael W., Foley, Stephen F., Liu, Yongsheng*, 2021. Massive carbon storage in convergent margins initiated by subduction of limestone. Nature Communications 12 (1) 4463. https://www.nature.com/articles/s41467-021-24750-0