Posted by 本文为Oyanagi, R., & Okamoto, A. (2024). Subducted carbon weakens the forearc mantle wedge in a warm subduction zone. Nature Communications, 15(1), 7159.的论文阅读笔记。
概要
根据板块构造论（plate tectonics），大量碳元素以有机物和碳酸盐的形式持续进入地球内部。然而，这些碳元素在进入地球深处时如何影响板块的力学和化学性质，以及这些碳元素与地震活动的关联，仍未被完全理解。针对这一问题，2024年8月，由日本国士馆大学讲师大柳良介（Ryosuke Oyanagi）和日本东北大学教授冈本敦（Atsushi Okamoto）撰写的名为Subducted carbon weakens the forearc mantle wedge in a warm subduction zone（俯冲的碳在温暖的俯冲带中削弱了弧前地幔楔）的论文被发表在科学期刊Nature Communications上。
他们采用了当前最先进的流体-矿物反应热力学计算方法，以日本附近的俯冲带为研究对象，深入分析了俯冲沉积物产生的流体的化学成分及其与地幔的相互作用。结果显示，在类似于东北日本的较冷俯冲带中，俯冲沉积物几乎不产生含碳流体；相反，在诸如西南日本的较热俯冲带中，大量含碳流体会被生成。这些流体在莫霍界面附近与上地幔发生反应，最终可能形成由碳酸盐矿物和滑石组成的地层（图1）。其中，滑石（talc）是一种摩擦系数极小，因其能够引发非地震性滑动而广被地学界知晓。在室温条件下，其在干燥状态下的摩擦系数低于0.3，而在完全湿润后，摩擦系数仅为0.11至0.14（Boneh等人，2023）。这些碳酸盐矿物和滑石层从地下40 km处开始急剧增加，且随着深度的增加变得越来越厚。
a 南海俯冲带的剖面示意图。间歇性震颤和滑动（ETS）发生在地幔楔（MWC）周围约30~40 km的深度，而更深的地方无地震活动；
b, c 预测在俯冲大断层上液体作用1百万年后，b地幔楔周围和c更深处（50~70 km）的矿物分布。具体范围如a中黑色虚线框所示；
d, e 预测在俯冲大断层上液体作用1000万年后，d地幔楔周围和e更深处（50~70 km）的矿物分布。具体范围如a中黑色虚线框所示；
Tlc指滑石；Cb指碳酸盐；Qz指石英。
Oyanagi和Okamoto（2024）表明，厚滑石层开始形成的深度与西南日本观测到的地震下限区域相一致，揭示了碳循环对俯冲带的地震活动具有重要影响。未来，或许会有新的研究将地球深部碳循环这一化学过程与地震发生的物理过程进一步联系起来，以帮助解明俯冲带地震活动的机制。
研究背景
近年，俯冲带浅部的地震发生带与深部的非地震性滑动区域之间观察到了比普通地震更慢的滑动（慢地震，slow slip），引起了广泛关注。然而，关于这一过渡区域的物质变化及流体作用仍然存在着很大争议。
根据目前的科学见解，因受海水影响而变质的海洋地壳和表层沉积物沿着俯冲带被带入地球内部。这些物质中的含水矿物在地球内部的高温高压条件下会分解生成液态水，从而对板块边界的滑动特性和地震活动产生重大影响。然而，需要注意的是，这些被带入地球内部的海洋底沉积物中含有有机物（有机碳）和碳酸盐（无机碳）。这些碳的量和存在形式在不同的俯冲带之间存在显著差异（图2）。例如，东北日本的海洋底沉积物含有较多的有机碳，其质量比例几乎达到了90%。而在西南日本，海洋底沉积物则同时含有质量几乎相等的无机碳和有机碳。正因为这种差异，当这些碳被带入地球内部时，它们在不同地区的板块边界发生的化学反应和力学性质的影响就会有所不同。特别是，在俯冲带下方40公里处即为上地幔区域。解明俯冲的碳是否会与地幔物质发生反应并被固定这一问题，对理解地球深部碳循环具有至关重要的意义。
其中，纵轴代表有机碳的质量比例
地球内部中稳定存在的物质可以通过热力学平衡计算来预测。在传统的计算手法中，岩石的化学组成都被假设为是固定的，而流体则全部被假设为只由水（H₂O）组成。然而，地球内部的流体实际上是包含多种元素的流体（水溶液），这些流体在反应过程中可能改变岩石的整体化学组成。近年来，一种高温高压条件下的流体热力学前沿模型——地球深部流体模型（Deep Earth Water model）被学界提出，使得研究者能够将地球深部的流体视为多组分的水溶液（Huang和Sverjensky，2019）。然而，迄今为止暂时没有针对于俯冲带深部的含有碳的多组分流体的分析。
研究成果
Oyanagi和Okamoto（2024）对典型的冷俯冲带（东北日本）和暖俯冲带（西南日本）进行了研究。他们详细计算了含碳沉积物在这些地区俯冲时产生的流体的特征（化学组成和流体的体积）。此外，他们在详细考虑了板块边界的温度结构的情况下，对这些流体和地幔物质发生反应后生成的新物质进行了推测。
计算结果显示，两地形成的流体的化学组成和体积存在着巨大的差异。在较冷的东北日本，随着沉积物的脱水分解，形成了富含钠和硅元素的流体。与之相对比的是，在较热的西南日本，则形成了富含碳元素（主要以二氧化碳的形式存在）的H2O-CO2流体。此外，他们还注意到，在东北日本，沉积物的脱水分解直至60 km深的地方都不会发生，而俯冲板块与上地幔接触的地方（约30 km深处）不会发生流体与地幔物质的反应。而在西南日本的35~80 km处，通过沉积物的分解，含碳流体会沿着上地幔的板块边界连续地向地幔输送（图3）。
其中，横轴为深度（对应压强和温度），纵轴为浓度。
在这两种俯冲带中，当水被供应到上地幔时，都会形成含水矿物蛇纹石（serpentine）。然而，由于两种俯冲带中流体的生成量和化学组成不同，导致了板块边界附近的变质矿物的种类和数量也发生了显著变化。具体而言，在东北日本的上地幔中未生成碳酸盐矿物，仅在约70 km深处生成了力学上最弱的含水矿物滑石（Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂）。而在西南日本，滑石和镁碳酸盐（MgCO₃）在35~70 km深的广泛范围内生成。其中，滑石和镁碳酸盐的含量从40 km深处开始增加，且随着深度的增加形成了越来越厚的层（图4）。
e和g分别展示了东北日本和西南日本（南海）俯冲带中的矿物比例；
f和h分别展示了与东北日本和西南日本（南海）俯冲带相邻的地幔楔中的碳酸盐比例；
蓝色背景和白色背景分别表示预测出和未预测出脱水发生的深度范围。
缩写解释：MDD 最大解耦深度1，SSE 慢性滑动事件，ETS 间歇性震颤和滑动，N.D. 未确定，Srp 蛇纹石，Tlc 滑石，Chl 绿泥石，Mgs 镁铁矿，Dol 白云石，Qz 石英
其中，根据以往的学术见解，板块边界处的滑石被认为是因来自下沉板块中富含硅（SiO₂）的流体与上地幔的反应所形成的。然而，Oyanagi和Okamoto（2024）却有不同见解。他们认为，在西南日本的俯冲带中，滑石的数量与镁碳酸盐矿物一起增加。具体而言，来自沉积物的富含二氧化碳的流体与地幔中的含镁物质反应，生成了碳酸盐矿物，最终形成了富含硅的滑石。根据这一过程，在以西南日本为代表的较热的俯冲带中，表层带入地球内部的碳可使板块边界在力学上变得更为脆弱。
此外，根据近几十年的地震观测，在西南日本以深30~40 km的区域观测到了具有特征的慢地震。而在更深的区域，则变为几乎不发生地震的非地震性滑移区域。有趣的是，Oyanagi和Okamoto研究观察到的西南日本厚滑石层的形成深度恰好与这一慢地震活动区域的下限一致。根据现有的学术结论，滑石具有非常低的摩擦系数，可以引起非地震性滑移。这或许暗示着俯冲到地球内部的碳元素可能在地震性滑移向非地震性滑移的过渡中起到了重要影响。
未来展望
毋庸置疑，海底沉积物中固定的碳量与大气中的二氧化碳浓度、气候等地球表层环境密切相关。Oyanagi和Okamoto（2024）的研究成果暗示了地球表层环境的长期变化和全球海底沉积物特征对地球内部地震发生及板块边界力学性质的影响。这或许可为今后关注地球整体物质循环与地震发生的物理过程之间关系的研究点明新方向。
注释
- 最大解耦深度（maximum depth of decoupling）：在此之下的区域物质不再与上层发生显著相互作用的深度 ↩︎
参考文献
- Oyanagi, R., & Okamoto, A. (2024). Subducted carbon weakens the forearc mantle wedge in a warm subduction zone. Nature Communications, 15(1), 7159.
- 東北大学プレスリリース. (2024-09-05).沈み込む炭素がプレートをマントルとの境界で滑りやすくすることを発見 ～炭素循環と地震活動との関連性を示唆～. https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/09/press20240905-01-plate.html
- Boneh, Y., Pec, M., & Hirth, G. (2023). High‐Pressure Mechanical Properties of Talc: Implications for Fault Strength and Slip Processes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128(3), e2022JB025815.
- Huang, F., & Sverjensky, D. A. (2019). Extended Deep Earth Water Model for predicting major element mantle metasomatism. Geochimica et Cosmochimica Acta, 254, 192-230.