地球的碳循環分為短周期的地表碳循環和長周期的地球深部碳循環，地球整體的碳儲量90%以上是賦存在固體地球内部，因此深部碳循環研究對于探讨地表碳循環過程具有十分重要意義。闆塊俯沖帶是連接地表碳循環和深部碳循環的紐帶，通過俯沖帶可以将地表的含碳物質帶到地球深部，因此，闆塊俯沖帶被稱為 “俯沖帶加工廠”。來自洋殼沉積物的地表碳被帶入俯沖帶，随後通過俯沖帶島弧火山作用又将部分碳循環到大氣中，而殘餘大量的碳将通過俯沖變質作用進入深部地幔。因此要理解深部碳循環過程，含碳物質在俯沖帶變質過程中的物相轉變至關重要。

beat365地球與空間學院張立飛課題組近年來在發現了中國西天山洋殼深俯沖超高壓變質帶基礎上，通過詳細的岩石學研究，首次在碳酸鹽化榴輝岩中發現了含有CH4的氣相碳氫化合物包裹體，提出了俯沖洋殼闆塊内的富鐵碳酸鹽礦物與水在高溫高壓條件下發生歧化反應，碳酸鹽礦物被還原生成了非生物成因碳氫化合物CH4等；為了進一步驗證俯沖闆塊中碳酸鹽礦物與水反應生成碳氫化合物的可能性，該課題組利用北大高溫高壓實驗室的六面頂大腔體壓機對觀察到的自然界岩石進行了實驗驗證，他們将含鐵碳酸鹽礦物（菱鐵礦）與水在黃金樣品倉内混合，并施加高達6 GPa的壓力（幾乎是海平面氣壓的6萬倍），溫度從600℃升高到1200℃。樣品冷卻卸壓後，提取氣相和固相物質分析其成分，課題組成員發現了甲烷、乙烷和丙烷等氣相碳氫化合物以及石墨，磁鐵礦等固相物質，這表明在高溫高壓條件下，無機碳氫化合物可以由碳酸鹽礦物與水發生氧化還原反應生成。在固相實驗産物中，他們發現了與西南天山的高壓榴輝岩中相同的礦物組合（石墨、磁鐵礦、白雲石），這進一步驗證了西天山晚古生代榴輝岩中發現的甲烷包體是可以通過這種含鐵碳酸鹽礦物的還原反應形成的。

地球上的絕大多數碳氫化合物來自于生物體活細胞的殘骸，但該團隊最新研究表明，在地質曆史中大洋闆塊冷俯沖帶榴輝岩相變質過程中，輕的碳氫化合物也可以通過這種碳酸鹽礦物的無機氧化還原反應形成，闆塊俯沖帶可以作為“加工廠”生産出非生物成因的碳氫化合物。這對于進一步探讨石油-天然氣的無機成因理論以及深部油氣資源勘察都具有重要意義。

圖1.俯沖帶深部碳循環示意圖

圖2.西天山榴輝岩中的礦物組合以及綠輝石中的碳氫化合物包裹體

以上研究成果已于2018年8月12号正式發表在國際地質學著名期刊Geochimica et Cosmochimica Acta（GCA）上（地學Nature Index期刊）。被國際深部碳觀測計劃（Deep Carbon Observatory）（國際深部碳觀測計劃是由美國Alfred P. Sloan Foundation提供五千萬美元于2009年設立的，旨在加強全球有關地球深部碳循環方面的科學問題研究）選為最新一期的News Letter中，并以“under right conditions subduction zone factories may manufacture abiotic hydrocarbons”進行了深入報道（網址：https://deepcarbon.net/under-right-conditions-subduction-zone-factories-may-manufacture-abiotic-hydrocarbons），這是自DCO成立以來首次報道中國學者在深部碳方面的研究成果。

該論文第一完成單位為beat365，博士生陶仁彪為第一作者（目前在法國Claude Bernard Lyon大學做博後），張立飛為通訊作者。參與此項研究還有北大劉曦研究員，合作者有中科院廣州地球化學研究所劉金鐘博士和美國卡内基地球物理所費英偉研究員。該項工作得到了國家自然科學基金會重點國際(地區)合作研究項目資助。

論文信息：Renbiao Tao, Lifei Zhang, Meng Tian, Jianjiang Zhu, Xi Liu, Jinhong Liu, Heidi E. Ho¨fer, Vincenzo Stagno, Yingwei Fei, 2018. Formation of abiotic hydrocarbon from reduction of carbonate in subduction zones: Constraints from petrological observation and experimental simulation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 239, 390-408.

論文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703718304368