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近日，深海極端環(huán)境模擬研究實(shí)驗(yàn)室程南飛副研究員（第一作者）、周義明研究員（通訊作者）及其合作者在地球科學(xué)國(guó)際權(quán)威雜志《Communications Earth & Environment》上發(fā)表了題為“Carbon-silicon species are unlikely in subduction-zone fluids”的研究成果。

該研究聚焦于俯沖帶中的含碳流體。這些流體在地球深部碳循環(huán)和全球氣候變化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用（圖1）。鑒于地球內(nèi)部以硅酸鹽為主，含水流體中碳-硅種型（C-Si species）的存在性對(duì)于評(píng)估從俯沖板塊到地幔楔塊并最終到地球表面的碳通量的規(guī)模至關(guān)重要，但該存在性仍然存在爭(zhēng)議。為了解決這一爭(zhēng)議，我們?cè)谂c以往實(shí)驗(yàn)研究相當(dāng)?shù)母_帶條件下，利用可視反應(yīng)腔（例如，熱液金剛石壓腔）和拉曼光譜儀對(duì)含有碳和硅的高溫高壓流體進(jìn)行了全面的原位調(diào)查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在接近C-CO₂緩沖劑的氧化條件下，未發(fā)現(xiàn)任何碳-硅種型存在的證據(jù)（見圖2）。值得注意的是，在還原條件下，在不含硅酸鹽的含CH₄高溫流體甚至是純CH₄氣相中，出現(xiàn)了一個(gè)靠近CH₄主峰的肩峰（圖3）。這在以前被解釋為碳-硅種型的證據(jù)，我們的結(jié)果表明它只是來自CH₄的熱峰。因此，俯沖帶流體中不大可能存在碳-硅種型，我們無需根據(jù)該假設(shè)調(diào)整現(xiàn)有的深部碳循環(huán)模型。

圖1. 以深部碳循環(huán)為視角的俯沖帶示意圖。碳通過多種途徑參與深部循環(huán)：(I)沉積巖和大洋巖石圈（即地殼和巖石圈地幔）巖石向俯沖帶輸入碳。(II)在俯沖過程中，碳通過脫揮發(fā)分作用、溶解及部分熔融等方式從俯沖板塊中釋放。(III)部分碳被進(jìn)一步帶入地幔深處并儲(chǔ)存；(IV)一部分碳通過弧火山作用重新返回地表。需要注意的是，俯沖板片中碳的釋放可以用兩種端元模式來解釋。①傳統(tǒng)模式：認(rèn)為俯沖板塊釋放的流體和熔體導(dǎo)致地幔楔發(fā)生部分熔融，從而產(chǎn)生弧巖漿；②混雜巖（mélange）模式：認(rèn)為俯沖板塊的沉積物、蝕變洋殼和水化的地幔物理混合形成的混合巖，以底辟（diapirs）的形式上升到地幔楔，熔化后產(chǎn)生弧巖漿。

圖2. 比較純H₂O（H1實(shí)驗(yàn)）、SiO₂-H₂O（S1實(shí)驗(yàn)）和SiO₂-COH（S2-6實(shí)驗(yàn)）體系在800 ℃和約1.5 GPa下超過一小時(shí)的含水流體拉曼光譜。請(qǐng)注意，光譜的基線已校正，強(qiáng)度已根據(jù)近3600 cm^-1處的H₂O峰高進(jìn)行了歸一化處理。

圖 3 2800-3000?cm^-1波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)從高溫到低溫還原的含CH₄的含水流體和氣相的拉曼光譜擬合結(jié)果。在C1實(shí)驗(yàn)中，鋯石被用作壓標(biāo)。800和850 ℃的拉曼光譜是在加熱過程中收集的，而400和25 ℃的光譜則是在達(dá)到最高溫度后冷卻過程中獲得的。在C2實(shí)驗(yàn)中，沒有使用壓標(biāo)，以消除潛在的硅酸鹽干擾。600和700 ℃的拉曼光譜是在加熱過程中采集的，而400和25 ℃的拉曼光譜是在達(dá)到最高溫度后冷卻過程中采集的。請(qǐng)注意，紅色曲線表示擬合的CH₄主峰，藍(lán)色曲線表示擬合的肩峰。

論文信息：Cheng N., Chou I.-M.*, Chen Y., Duan Z., Wang X. and Yan H. (2025) Carbon-silicon species are unlikely in subduction-zone fluids. Communications Earth & Environment, 6.