碳(C)元素在地球表层与深部圈层之间的迁移与再循环过程对全球气候变化和地球宜居性演变具有重要调控作用。俯冲带是地球深部C循环的关键构造单元。通过俯冲作用，板片将沉积有机C、蚀变洋壳和岩石圈地幔中的无机C输入地球内部；与此同时，深部变质脱水/部分熔融产生的富C流体和熔体又将C通过火山/热液活动等方式返回地表系统。这一动态循环过程中，含CO₂流体与镁铁质-超镁铁质岩系发生广泛的水–岩反应，促使C以稳定的碳酸盐矿物相（如菱镁矿、白云石等）在俯冲带中沉淀固定。近年来，多学科交叉研究（包括：高压–超高压岩石学观察、高温高压实验模拟和大地电磁及地震波速探测）共同揭示，俯冲带不同深度普遍发育的碳酸盐化蛇纹岩可能是深部C循环的重要"储库"与"中转站"。特别是，蛇纹岩在H₂O–CO₂–NaCl多组分流体体系中的碳酸盐化反应，通过控制C的溶解–沉淀平衡，深刻影响着俯冲带C通量的空间分配与时间演化。然而，该过程对全球深部C循环的定量贡献仍存在三个关键科学问题亟待解决：(1)反应动力学参数的精确限定；(2)不同温压条件下的C固定效率；(3)俯冲带C收支的评估。

 为系统揭示蛇纹岩碳酸盐化的动力学特征与反应平衡状态，本研究设计了两组系统的实验：

 1) 在140–180 MPa、300–500 °C条件下，定量限定H₂O–CO₂–NaCl流体体系中蛇纹岩碳酸盐化速率，并评估板片弯曲断层区域的C封存潜力；

 2) 在1.0–3.0 GPa、300–800 °C条件下，测定H₂O–CO₂–NaCl流体体系中蛇纹岩碳酸盐化反应程度，量化弧前蛇纹岩化地幔楔的C固定能力。

 实验结果显示：蛇纹岩碳酸盐化速率及反应程度与流体盐度呈负相关，而与温度、压力及X_CO2呈正相关关系。基于本实验数据与前人研究成果，我们建立了蛇纹岩碳酸盐化动力学参数的经验公式。模型计算表明：(1)全球俯冲带弯曲断层中，蛇纹岩碳酸盐化作用每年可向地幔输送7.3–28.5 Mt C，相应蛇纹岩消耗量 < 1 vol% (图1)；(2)在15–80 km深度范围内，49–76%板片释放的C可被地幔楔蛇纹岩碳酸盐化作用固定，形成每年0.02–4.17 Mt的C封存量，蛇纹岩消耗比例为0.1–10 vol% (图2)。这些定量约束为建立俯冲带C收支平衡模型提供了关键的实验约束。

 本研究成果由中国科学院广州地球化学研究所黄永胜副研究员团队主导，联合日本东北大学(奥村聪副教授、辻森樹教授等)及德国拜罗伊特大学(李元研究员)共同完成。系列成果已发表于矿物岩石学与地球化学领域权威期刊《Contributions to Mineralogy and Petrology》和《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

论文信息：Yongsheng Huang*; Satoshi Okumura; Kazuhisa Matsumoto; Naoko Takahashi; Hong Tang; Guoji Wu; Tatsuki Tsujimori; Michihiko Nakamura; Atsushi Okamoto; Yuan Li. 2024. Experimental constraints on serpentinite carbonation in the presence of a H₂O–CO₂–NaCl fluid. Contributions to Mineralogy and Petrology 179, 98. DOI: 10.1007/s00410-024-02175-4

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00410-024-02175-4#Sec8

论文信息：Guoji Wu; Yongsheng Huang*; Michihiko Nakamura; Tatsuki Tsujimori; Yuan Li. 2025. Sequestration of carbon in the forearc mantle wedge. Geochimica et Cosmochimica Acta. DOI: 10.1016/j.gca.2025.07.002

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.07.002

图1. 俯冲板片弯曲断层中的蛇纹石碳酸盐化 (Huang et al., 2024 CMP)

图2. 俯冲带弧前地幔楔中的蛇纹岩碳酸盐化 (Wu et al., 2025 GCA)