镁锌同位素揭示俯冲带碳输入的三维空间分异机制及其深部碳循环意义

本研究针对俯冲带小尺度碳释放空间异质性难题，通过分析日本海沟沿线中新世玄武岩的Mg–Zn同位素（δ26Mg和δ66Zn），首次揭示俯冲板片北（耦合型同位素）、中（轻微解耦）、南（解耦型）三区碳输入差异，证实碳酸盐沉积物溶解（carbonate dissolution）与滞留的动力学分异受控于板片热结构，为理解深部碳循环通量估算和地幔氧化还原异质性提供新约束。

　　

地球深部碳循环是维系行星宜居性的关键环节，而俯冲带如同巨型"传送带"，将地表碳酸盐输送到地幔深处。尽管全球尺度俯冲带脱碳效率差异已被认知，但单个俯冲带沿走向数十公里尺度碳释放的精细分异仍是未解之谜。日本海沟作为西太平洋典型的冷俯冲系统，其板片几何形态与地幔流变学特征造就了复杂的温度梯度，为研究碳迁移的微观动力学提供了天然实验室。

吉林大学的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表论文，创新性地采用Mg–Zn同位素双重示踪体系，对平行日本海沟分布的中新世玄武岩展开系统分析。研究团队运用MC–ICP–MS（多接收电感耦合等离子体质谱）测定δ²⁶Mg和δ⁶⁶Zn组成，结合主微量元素和Sr–Nd–Pb–Hf同位素数据，通过岩浆演化过程校正（如橄榄石分离结晶对δ⁶⁶Zn的影响），追溯原始地幔源区特征。

研究结果

1. 同位素空间分异特征
北区样品呈现δ²⁶Mg负偏（-0.48‰至-0.37‰）与δ⁶⁶Zn正偏（0.40‰至0.62‰）的耦合特征；中区δ⁶⁶Zn（0.25‰至0.31‰）与洋中脊玄武岩（MORB）重叠，δ²⁶Mg（-0.35‰至-0.19‰）轻微负偏；南区则表现为δ²⁶Mg显著负偏（-0.56‰至-0.02‰）与正常δ⁶⁶Zn（0.26‰至0.40‰）的解耦模式。

2. 碳迁移机制解析
北区耦合型同位素指示碳酸盐沉积物通过板片流体（slab-derived fluids）溶解进入弧/弧后火山系统；南区解耦特征则反映碳酸盐被板片长距离搬运至地幔楔深部，与区内广泛分布的异剥橄榄岩（wehrlite）包体相印证。这种差异源于板片热结构南北分异：北部高温促进碳酸盐溶解，南部低温利于碳酸盐保存。

3. 动力学控制因素
三维地震层析成像显示，板片几何形态（如俯冲角度变化）与地幔对流模式共同调控热结构。北部地幔上涌流（upwelling flow）形成高温环境，而南部停滞板片导致热流受限，这种小尺度热力学分异是碳迁移差异的根本诱因。

结论与意义
该研究首次在俯冲带百米公里尺度上建立碳释放效率与同位素解耦程度的定量关联，揭示碳酸盐命运受控于局部热力学条件而非区域构造背景。这对完善深部碳通量模型具有双重启示：一方面，传统全球碳循环估算可能低估短距离通量波动；另一方面，地幔过渡带（MTZ）的碳存储潜力可能被高估。研究提出的Mg–Zn同位素解耦指标为识别深部碳储库提供了新工具，其揭示的"热溶解-冷保存"机制可类推至全球俯冲系统，为解释深部地幔不均一性提供新视角。