碳作为地球系统中最重要的挥发分元素之一，在生命起源与演化、全球气候变化以及地表地质过程中发挥着关键作用。板块俯冲作用是连接地表和地球深部碳循环的关键地质过程。对全球深部碳循环通量的估算发现弧火山活动释放的碳量（~23 Mt yr-1）远低于总俯冲碳量（84 ±14 Mt yr-1；Plank and Manning, 2019），意味着多数的俯冲碳参与了更长时间尺度的深部循环过程。已有研究表明，在不同构造背景下，俯冲碳在深部的赋存时间存在巨大差异，稳定克拉通区域，再循环碳可以在地幔中长期赋存（＞1.0Ga，Dasgupta and Hirschmann, 2010; Muirhead et al., 2020; Dong et al., 2024），而某些现代俯冲带再循环碳的赋存时间仅有27Ma（Horton, 2021），对于大地幔楔系统深部碳循环的时间如何？这是深俯冲碳循环时间研究中一直没有得到解决的问题。俯冲板块滞留在地幔过渡带驱动的深部碳循环时间尺度不清限制了对于深部碳循环过程的理解。
图1 东北亚（A）晚中生代—新生代早期玄武岩和采样位置分布图（B）地震层析成像
针对以上问题，304永利集团官网入口许文良教授引领的“地球深部动力学创新团队”成员王枫教授等，通过对比分析西太平洋俯冲-滞留板块俯冲碳通量及其主要贡献储层随时间演化，与东北亚晚中生代-新生代早期板内玄武岩（图1）所记录的再循环碳量及其来源随时间演化之间的相关性，限定了与滞留板块相关的深俯冲碳循环的时间。具体研究成果如下：
1. 利用板块重建模型，估算了西太平洋板块俯冲碳通量及其贡献储层随时间的变化。晚中生代—新生代早期，西太平洋俯冲板块向深部地幔输入的碳通量为1.4 – 14.9 Mt/yr，并分别在112 Ma、80 Ma和55 Ma显示明显降低趋势（图2）。俯冲碳的贡献储层在80 Ma之前以蚀变洋壳为主，而80 Ma之后蚀变洋壳的贡献度显著降低，俯冲沉积物成为深俯冲碳的主要来源（图2）。
图2 晚中生代—新生代早期西太平洋俯冲板块关键参数和俯冲碳通量重建结果（A）俯冲带长度；（B）俯冲速率；（C）俯冲板块年龄；（D）碳酸盐岩厚度；（E）俯冲碳通量；（F）弧脱碳通量；（G）深俯冲碳通量；（H）西太平洋板块单位弧长内深俯冲碳通量与全球平均值对比
2. 查明了晚中生代—新生代早期东北亚板内玄武岩地幔源区中再循环碳量及其来源随时间的变化。针对东北亚集中出露且时代连续的晚中生代—新生代早期板内玄武岩（图1），开展了全岩主微量元素和Sr–Nd–Pb–Zn同位素的综合研究，查明了地幔源区中再循环碳量为0.4 – 1.4 wt.%（图3C和3D），并分别在92 Ma、60 Ma和43 Ma显示明显的低值（图4）。此外，不同时期地幔源区中再循环碳的来源存在明显差异，大于60 Ma样品的地幔源区中的碳主要来源于蚀变洋壳，而小于60 Ma样品的地幔源区中的碳则主要来源于沉积物（图3E-H）。
图3 东北亚晚中生代—新生代早期板内玄武岩源区再循环碳量及其贡献端元的时间演变特征
3. 限定了东北亚大地幔楔深俯冲碳循环的时间，揭示滞留板片加速了深部碳循环过程。通过对比分析上述两种模型，发现重建的西太平洋俯冲碳通量及其贡献储层与板内玄武岩所记录的再循环碳量和来源在时间演化上具有一致性，而二者协同变化之间存在平均17 Ma的时间差，代表了西太平洋俯冲碳从俯冲带进入到板内岩浆活动逃逸的循环时间，远低于前人对俯冲碳在深部地幔停留时间的估算。上述结果表明滞留板块能够驱动快速的深部碳循环，意味着晚中生代—新生代早期东北亚上地幔对俯冲-滞留板块中的碳具有相对较高的提取效率，进而能够有效降低上地幔黏度，提升地幔蠕变速率，从而诱发深部地幔流成为控制同时期俯冲带演化的关键驱动机制。
图4 东北亚晚中生代-新生代早期俯冲碳循环时间约束模式图
以上研究成果于2025年6月以“A stagnant subducted slab accelerates the deep Earth carbon cycle”为题发表于国际地质学权威期刊《Geology》上。博士研究生张思文是论文的第一作者，王枫教授为该文的通讯作者，参与本项研究的还有河北地质大学的邢恺晨、304永利集团官网入口的王旖旎、许文良和杨德彬。该工作由国家重点研发计划（2022YFF0801002）和国家自然科学基金（42372065）联合资助。研究的详细信息请参考原文。
原文信息：
Si-Wen Zhang, Feng Wang, Kai-Chen Xing, Yi-Ni Wang, Wen-Liang Xu, De-Bin Yang. A stagnant subducted slab accelerates the deep Earth carbon cycle. https://doi.org/10.1130/G53422.1
参考文献:
Dasgupta, R., and Hirschmann, M.M., 2010, The deep carbon cycle and melting in Earth’s interior: Earth and Planetary Science Letters, v. 298, p. 1–13.
Dong, X.-H., Wang, S.-J., Wang, W., Huang, S., Li, Q.-L., Liu, C., Gao, T., Li, S., and Wu, S., 2024, Highly oxidized intraplate basalts and deep carbon storage: Science Advances, v. 10, p. eadm813.
Horton, F., 2021, Rapid recycling of subducted sedimentary carbon revealed by Afghanistan carbonatite volcano: Nature Geoscience, v. 14, p. 508–512.
Muirhead, J.D. et al., 2020, Displaced cratonic mantle concentrates deep carbon during continental rifting: Nature, v. 582, p. 67–72.
Plank, T., and Manning, C.E., 2019, Subducting carbon: Nature, v. 574, p. 343–352.
