俯冲带是地表与地球深部之间碳循环的主要场所，它直接影响着地表生态系统的稳定和气候变化，与宜居地球的形成与演化息息相关。板片俯冲过程中物理化学条件的差异导致了全球范围内、不同俯冲带碳输入的显著差异（Plank and Manning, 2019）。单一俯冲带中，俯冲带热结构沿走向的变化已经被证实可以导致俯冲板片碳输入的大尺度的空间变化（>1000公里；Lopez et al., 2023）。然而，在单一俯冲带小尺度空间内俯冲板片碳输入是否存在三维空间变化？如果存在，在三维空间上再循环碳酸盐是如何改造地幔源区属性的？这些问题并没有得到很好的回答。
针对这一关键问题，304永利集团官网入口许文良教授引领的“304永利集团官网入口地球深部动力学创新团队”联合中国地质大学（北京）刘盛遨教授，对东北亚陆缘、平行于俯冲带分布的中新世板内玄武岩开展了系统的Mg-Zn同位素研究（图1），结合东北亚陆缘新生代玄武岩中地幔捕虏体的空间分布和地球物理观测资料，为单一俯冲带小尺度碳输入的三维空间变异提供了关键证据。具体研究成果如下：
图1 东北亚陆缘中新世玄武岩及地幔捕虏体分布图
1）发现平行俯冲带走向分布的中新世板内玄武岩的Mg-Zn同位素组成存在明显的空间变异。东北亚陆缘北部地区中新世玄武岩显示了Mg-Zn同位素耦合的特点（图2）。与之不同，南部地区同时代玄武岩显示了Mg-Zn同位素组成解耦的特点。中部地区玄武岩则显示了Mg-Zn同位素组成轻微解耦的特点。中新世玄武岩Mg-Zn同位素组成的空间变化暗示俯冲带沿海沟方向存在明显的碳输入的空间差异。
图2 东北亚陆缘中新世玄武岩的δ66Zn-δ26Mg图
2）揭示了俯冲带沿海沟方向碳输入机制的空间变化。北部中新世玄武岩的Mg-Zn同位素耦合暗示北部地区俯冲带浅层存在明显的碳酸盐溶解，碳的循环效率高，而仅有少量碳被俯冲板片带到地幔深部（Qu et al., 2022）。相反，南部中新世玄武岩的Mg-Zn同位素解耦特征暗示南部地区俯冲带浅层不存在明显的碳酸盐溶解，碳的循环效率低，使得大量的碳酸盐可以保存下来，随俯冲板片到达地幔过渡带，进而交代上覆地幔，导致相应区域大量异剥橄榄岩的形成（图1）。
3）揭示俯冲带热结构是控制俯冲带碳输入空间变化的主导因素。三维地球物理热模型和地幔潜温共同揭示了在弧下深度，太平洋板片表面温度从北向南逐渐降低。这种热结构的空间变化导致碳酸盐溶解度具有显著差异（图3a）。俯冲带北部的高温不仅促使流体大量形成，而且使碳酸盐的溶解度增加了两倍以上，这导致碳酸盐沉积物显著溶解（图3b）。而相对较冷的南部则几乎不会导致碳酸盐沉积物在浅部的溶解，更多的碳酸盐被俯冲板片带入到深部地幔（图3c）。
图3 东北亚陆缘碳输入空间变化示意图
本研究基于同时代玄武岩Mg-Zn同位素组成的空间变异，识别出俯冲碳输入在沿海沟方向的小尺度范围呈现出显著的空间变化，并确定俯冲带热结构是控制上述空间变化的主导因素，这为进一步探寻俯冲带深部地幔的地球物理异常和氧化还原属性的不均一性提供了依据，并同时显示了Mg-Zn同位素在碳酸盐示踪方面的深厚潜力。
以上研究成果于2025年6月以“Three-dimensional variations in carbon inputs to a subduction zone based on Mg–Zn isotopes”为题发表于国际地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。304永利集团官网入口博士研究生熊帅是论文的第一作者，304永利集团官网入口许文良教授、王枫教授为该文的共同通讯作者。参与这项研究的还有中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室的刘盛遨教授，304永利集团官网入口的王旖旎教授、博士研究生张思文和洪恪淳。该工作由国家重点研发计划（2022YFF0801002）、国家自然科学基金(42372065、42130302)和304永利集团官网入口科技创新研究团队（2021TD-05）共同资助。研究的详细信息请参照原文。
参考文献
Lopez, T., Fischer, T., Plank, T., Malinverno, A., Rasmussen, D., Rizzo, A., Cottrell, D., Werner, C., Kern, C., Bergfeld, D., Ilanko, T., Andrys, J., Kelley, K., 2023. Tracking carbon from subduction to outgassing along the Aleutian-Alaska Volcanic Arc. Sci. Adv. 9(26), 1-12.
Plank, T., Manning, C.E., 2019. Subducting carbon. Nature 574, 343-352.
Qu, Y.R., Liu, S.A., Wu, H.C., Li, M.L, Tian, H.C., 2022. Tracing carbonate dissolution in subducting sediments by zinc and magnesium isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta 319, 56-72.
原文信息：Shuai Xiong, Feng Wang*, Yi-Ni Wang, Ke-Chun Hong, Si-Wen Zhang, Sheng-Ao Liu, Wen-Liang Xu*. 2025. Three-dimensional variations in carbon inputs to a subduction zone based on Mg–Zn isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta, https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.06.023
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703725003369
