近日，南方科技大学地球与空间科学系副教授景志成团队及合作者在地球深部碳循环研究领域取得重要进展，相关研究成果在国际顶级学术期刊《美国科学院院刊》(PNAS) 上在线发表。

碳是构成地球生物和化学能源的基本元素，亦是影响全球气候变化的主要因素。地球上超过90%的碳存在于地球内部，因此研究碳在地表圈层与地球内部圈层，包括地幔和地核之间的循环对于研究地球可宜居条件的形成和气候的长期变化有重要意义。表层碳以碳酸盐的形式在海沟处通过海洋板块俯冲进入地幔深部，再通过地幔熔融和岩浆脱气等过程以二氧化碳等形式通过火山喷发返回地表，完成深部碳循环。

在此循环过程中，极少量碳酸盐即可显著降低地幔岩石（橄榄岩）的熔点，因此产生分布于地幔矿物晶粒边界的富碳地幔熔体。含碳熔体在地幔中的分布和运移对于深部碳循环的空间范围和时间尺度有决定意义。岩石学和地球化学的研究间接显示了碳酸盐熔体在地幔深部的存在和重要性，但受实验技术所限，缺乏地幔在相关高温高压条件下的碳酸盐熔体地震波波速和弹性的实验测量结果，也就无法通过与地震观测比较来探测深部地幔中的碳酸盐熔体。

图1. 地球深部碳循环及碳酸盐熔体在上地幔中可能的分布

研究团队基于团队此前发展的一系列高温高压下熔体物性测量的实验技术，结合大腔体压机和同步辐射技术，采用超声波方法和沉浮法，在国际上首次测量了高温高压下上地幔主要碳酸盐（白云石，CaMg(CO3)2）熔体的声波波速和密度，实验压力和温度最高分别达到6 GPa（6万个大气压）和近1800°C。这一实验结果为碳酸盐熔体的地震学探测提供了可能。同时，该研究还通过第一性原理分子动力学方法对碳酸盐熔体的物性进行了理论模拟，计算结果与实验结果相符。在这些结果基础上，该研究计算了含碳酸盐熔体的上地幔的地震波波速。

图2. 使用超声波方法原位测量高压下碳酸盐熔体的声波波速

(a)样品长度测量 (b)声波在样品中的传播时间测量

研究显示，极少量的碳酸盐熔体的出现虽然对地幔岩石的压缩波（P波）和剪切波（S波）波速影响很小，但可以显著改变两者的比值(VP/VS)。通过与地震学观测到的结果对比发现，引入少量碳酸盐熔体可以较好地解释地球上地幔180-330km深处的VP/VS比值异常的原因，这意味着上地幔深部矿物晶粒间可能广泛分布着微量富碳熔体（约占总体积的0.05%），对应80-140ppm的碳含量，这一结论有力支持了以往通过地球化学方法间接估算出的地幔碳含量。该研究估算了上地幔深部碳的总量为(2.0-3.6)×1019 kg，超过大气中碳总量（～8.7×1014 kg）的20000倍。这意味着上地幔深部是一个重要的碳储库。

图3. 实验得到的上地幔VP/VS比值与地震观测结果比较显示碳酸盐熔体在上地幔深部（180-330 km）的存在性

南科大地球与空间科学系访问学生许满为论文第一作者，景志成为论文唯一通讯作者，南科大为论文唯一通讯单位。合作作者包括美国佛罗里达州立大学的Suraj K. Bajgain教授和Mainak Mookherjee教授，美国凯斯西储大学的James A. Van Orman教授，以及美国芝加哥大学的Tony Yu教授和Yanbin Wang教授。该研究得到了中国国家自然科学基金、南科大理学院以及美国国家科学基金的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/07/16/2004347117