和其他行星相比，地球的獨特在于地球上存在不同尺度的揮發(fā)分碳、氮、硫的再循環(huán)。地球深部碳循環(huán)便是地球揮發(fā)分再循環(huán)的重要一節(jié)。由于地球的深部碳循環(huán)不僅關系著地球的深部動力學過程也關系著地球的氣候演變，因此地球深部碳循環(huán)是當今國內以及國際研究的重大前沿科學問題之一。地球深部碳循環(huán)主要是通過碳在俯沖帶的深俯沖以及地幔熔融和火山去氣來實現。目前圍繞地球深部碳循環(huán)存在兩大問題: 一是俯沖過程中到底有多少碳被俯沖到深地幔中，又有多少碳從俯沖板片中再循環(huán)到地幔楔最終釋放到淺層地表；另一大問題便是俯沖帶中碳的循環(huán)機制是什么，即碳是以何種形式被俯沖到深地�；蛴忠院畏N形式再循環(huán)到地幔楔。最近幾年的研究結果表明，俯沖板片中高達80%的碳可以再循環(huán)到地幔楔，但碳循環(huán)機制卻一直是個未解之謎。
俯沖帶毫無疑問是地球深部最富集含水流體的場所，而且俯沖帶中含水流體可能能夠攜帶大量的俯沖板片碳進入地幔楔。但幾十年以來，我們對俯沖帶C-H-O流體的性質知之甚少，而且普遍認為地幔條件下C-H-O流體是完全混溶的，即地幔C-H-O流體是一個單一的流體相。高溫高壓實驗是認識地球深部過程以及地球深部流體性質的一把鑰匙，但受限于高溫高壓條件下流體實驗的難度，我們對俯沖帶C-H-O流體性質的認識一直遲遲沒有進展。
針對上述問題，在中國科學院先導專項（B）課題（XDB18020301）、中組部青年千人計劃項目以及德國Elite Network Bavaria (ENB)項目資助下，中國科學院廣州地球化學研究所李元通過設計新的實驗方案克服高溫高壓條件下流體實驗的難點，首次在俯沖帶條件下研究C-H-O流體的相關系。結果發(fā)現，在1.5-2.5 GPa（對應于地幔深度50-80Km）600-700oC、3wt% NaCl存在以及石墨飽和的條件下，水和氣體CH4+H2、CO2+CH4以及CO2是不混溶的。這推翻了40多年來人們一直認為地幔C-H-O流體是完全混溶的這一傳統(tǒng)觀點。另外，俯沖帶C-H-O流體不混溶可能是俯沖帶一種極其重要的碳循環(huán)機制。首先，俯沖帶中富碳流體與富水流體的不混溶以及物理分離將導致富水流體與碳酸鹽的劇烈反應，從而有利于俯沖板片去碳酸鹽化。其次，俯沖板片中富碳流體的存在說明俯沖板片中大量的碳可能是以富碳流體的形式搬運到地幔楔中的。
上述成果于8月10日發(fā)表在歐洲地球化學學會雜志Geochemical Perspectives Letters上。
圖1 高溫高壓下石英中合成的流體包裹體
圖2 合成流體包裹體的激光拉曼分析
