板块构造主导着碳等生命必需元素在地球深部和表层之间的循环过程和重新分配，对宜居地球环境演变起着至关重要的作用。在全球板块构造体系下，深部碳循环如何运转？深部碳如何影响地球表层碳循环及其宜居性？这些重要问题长期以来都是碳循环与全球变化领域的研究热点。因此，从全球板块构造角度厘清深部碳循环的运行机制及其完整路径的各环节通量，对于揭示深部-地表碳循环耦合作用对全球变化的影响具有重要意义。
近日，地科院徐胜教授团队与日本高知大学Yuji Sano教授合作在National Science Review发表题为Deep carbon recycling viewed from global plate tectonics的综述文章。研究团队聚焦全球板块构造体系下的深部碳循环及其对宜居地球演化的重要性，从储库、通量与机制角度梳理了地球深部和表层之间的碳循环过程，探讨了洋中脊、地幔柱、俯冲带、大陆裂谷以及大陆碰撞造山带等主要构造背景的深部碳循环特征及其异同点，利用碳循环通量汇编数据进行了全球碳质量平衡评估及其不确定性评价，进而展望了深部碳循环领域的潜在挑战和未来研究机遇。
除了汇聚板块边缘（包括岛弧、大陆弧、弧-陆碰撞带和大陆碰撞造山带）发生的俯冲驱动的深部碳循环以外，该研究特别认识到大陆再造（continental reworking）也是一种具有全球性重要意义的深部碳循环机制（图1）。有别于板块俯冲，大陆再造发生在板缘至板内更广泛的构造环境中，包括大陆碰撞造山带、大陆裂谷以及大陆弧等，能够将大陆岩石圈地幔与大陆地壳中储存的深部碳释放至地表圈层（主要表现为构造脱气）。从全球板块构造角度来看，由大陆再造驱动的构造脱气在深部碳循环中发挥着重要作用，其与洋中脊、俯冲带和地幔柱的火山脱气呈互补关系，共同主导着地球深部碳释放（图2）。
基于最新的碳通量数据，发现全球深部碳释放通量与板块俯冲碳通量在不确定性范围内大致相当，但地表碳向对流地幔的返回量明显不足。这一结果表明，随着时间的推移，碳将通过多种方式在岩石圈中逐渐积累：1）大规模的地下碳储存，包括含碳熔体/流体交代岩石圈地幔、俯冲物质固态底辟、碳酸盐矿物溶解/再沉淀等，主要发生在从汇聚板块边缘到大陆内部的大陆岩石圈中；2）深部碳释放高通量背景下持续的碳酸盐矿物沉积、有机碳埋藏等碳汇过程，主要发生在海洋环境中。需要强调的是，上述全球碳质量平衡评估结果仍存在一定的不确定性，未来需进一步对全球深部碳循环完整路径的各环节通量进行优化和更新，以实现从深部-地表碳循环耦合作用角度对地球系统的自我调节及其宜居性的准确理解。
图1 大陆碰撞造山带与大陆裂谷深部碳释放机制示意图（修改自Foley and Fischer, 2017; Zhang et al., 2021; Groppo et al., 2022）
图2 全球主要构造背景深部碳释放通量
该研究受到国家自然科学基金（41930642）、科技部重点研发计划项目（2020YFA0607700）等项目的联合资助。
文章信息：Zhang, M., Xu, S., & Sano, Y. (2024). Deep carbon recycling viewed from global plate tectonics. National Science Review, in press, nwae089. https://doi.org/10.1093/nsr/nwae089
