近期的热力学和实验研究表明挥发性有机化合物（如甲烷、甲酸盐和醋酸盐）可以在俯冲带中产生并保存，而且可能在地球深部碳循环中发挥重要作用。然而，以上研究的结论仍缺乏野外观测的证据。近期，法国Debret等对马里亚纳俯冲带弧前泥火山中的蛇纹石化超基性岩进行了详细的岩相学、磁化率和碳（C）同位素等研究，为俯冲带固体有机化合物的非生物合成提供了直接的野外证据，并指出俯冲带弧前地幔可能是地球有机C的重要储层，该项成果近期发表于Science Advance。

       该研究的样品来自马里亚纳俯冲带弧前泥火山中的蛇纹岩碎块，基于岩相学和地球化学组成，可分为含利蛇纹石、叶蛇纹石和蓝色蛇纹石的蛇纹岩（图1）。大量研究证明这些蛇纹岩样品记录了从深部弧前地幔被板片分异流体水化到浅部样品折返过程中的水岩相互作用过程（图1）。利蛇纹石-和叶蛇纹石-蛇纹岩记录了板片分异流体交代过程，而蓝色蛇纹石-蛇纹岩则记录了岩石折返过程中的低温重结晶过程。

图1 马里亚纳弧前系统的水深图、压力和温度(P-T)轨迹和剖面示意图

       基于样品Fe³⁺/ΣFe的比值、岩相学观察、磁化率和居里温度测量结果，该研究表明低温下Fe³⁺富集于蛇纹石；而高温下Fe³⁺进入磁铁矿，该观察与前人结论一致。该研究分析了17件样品的C含量和C同位素组成，并包括有机C（TOC）和无机C（TIC）组分。结果显示样品全C（TC）含量为389-12523 ppm，同位素为δ¹³C_TC = −11.8 to −25.5‰，与深海蛇纹岩和高压变质蛇纹岩类似，其中蓝色蛇纹石-蛇纹岩具有最大的变化范围。有机C含量及同位素与深海蛇纹岩和高压变质蛇纹岩接近，但无机C含量和同位素组成变化范围极大，并且少量样品具有明显低于深海蛇纹岩和高压变质蛇纹岩的δ¹³C_TIC（-2.2至-16.3‰）组成。

       傅里叶变换红外显微成像显示，在叶蛇纹石-和蓝色蛇纹石-蛇纹岩中存在大面积（几百微米宽）的碳质物质，并显示出有机化合物的振动带特征（图2-3）。蓝色蛇纹石-蛇纹岩相对于深海蛇纹岩和高压蛇纹岩，具有大的δ¹³C_TIC变化范围，并具有明显较轻的δ¹³C_TIC（-3.4至-16.3‰）组成（图4）。而且，随着全岩无机C的升高，δ¹³C_TIC逐渐降低（图4）。这与通常观察到的有机C富集轻C同位素，无机C富集重C同位素现象矛盾，可能反映了这些无机C是由有机C氧化形成，并且继承了有机C轻的同位素。这些现象表明蓝色蛇纹石-蛇纹岩中含碳物质主要为微生物成因的。与此相反，含叶蛇纹石蛇纹岩的结构表明含碳物质与叶蛇纹石具有共生结构，再加上叶蛇纹石具有高的结晶温度（310~410℃），表明叶蛇纹石蛇纹岩中含碳物质为非生物成因。

图2 含叶蛇纹石蛇纹岩中碳质物质特征

图3 含蓝色蛇纹石蛇纹岩中碳质物质特征

图4 蛇纹岩样品C同位素组成与元素浓度图解

       研究发现含叶蛇纹石蛇纹岩δ¹³C_TIC与δ⁵⁶Fe具有相关性，反映了板片分异的氧化性流体（如CO₂）运移至弧前地幔。该模式与马里亚纳海沟观察到的大量含碳酸盐沉积物以及地热流体富集重C同位素的现象一致。因此，该研究结果表明，在俯冲的第一阶段，板块和地幔楔之间的大部分C转移是以氧化形式（如CO₂）发生的，这使蛇纹石化的弧前地幔成为俯冲带的重要C汇。尽管板片流体运移C的形式主要为CO₂，但含叶蛇纹石蛇纹岩中的C主要受控于有机C，表明蛇纹岩样品存在C的还原过程，该过程可能形成非生物成因的有机酸。该推论与距离海沟较远的泥火山孔隙流体中溶解有高的H₂，CH₄，C₂H₆，甲酸和醋酸含量一致。

       该研究进一步估算了马里亚纳俯冲带弧前区域储存的C通量。首先，基于前人研究结论，该研究假设进入俯冲带水含量的20~74%转移到了弧前地幔楔中。如果假设含叶蛇纹石蛇纹岩中有机C和H₂O的比例恒定，则可以估算得约0.05~0.39Mt/yr的有机C在马里亚纳俯冲带弧前地区形成和储存。根据最新的俯冲带C通量估算，该通量约占马里亚纳俯冲带C输入量的5~54%，即最大约54%的俯冲带C储存在俯冲带的弧前地幔楔中，这表明蛇纹石化的弧前地幔可能是俯冲带固体有机C的重要储存储库。

Debret, B., Ménez, B., Walter, B., Bouquerel, H., Bouilhol, P., Mattielli, N., Pisapia, C., Rigaudier, T., & Williams, H. M. (2022). High-pressure synthesis and storage of solid organic compounds in active subduction zones. Science Advances, 8(37), eabo2397.

http://doi.org/10.1126/sciadv.abo2397

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo2397