国家研究开发机构日本海洋地球科学技术机构（总裁 Kore Matsunaga） 火山和地球内部研究中心海洋地震和火山学部门 Ryosuke Oyanagi 访问研究员和 Katsutaka Dobayashi 与东北大学、新泻大学、名古屋大学和国家先进工业技术研究所合作，访问研究人员分析了含有研究人员从伊豆小笠原海沟深度6400米的斜坡采集了碳酸盐岩，阐明了浅俯冲带的碳循环过程。
存在于地球表面的碳经历了大气环流，随着板块俯冲而被带到地球深处，然后返回地球表面。最近的研究指出了浅层碳循环过程的重要性，其中俯冲的碳从相对较浅的深度返回到地表，但该循环的时间尺度尚不清楚。
在这项研究中，我们分析了从伊豆-小笠原海沟的浮目海山（深度6,400米）采集的弧前地幔岩石中所含的碳酸盐矿脉，并分析了碳稳定同位素比（δ13C) 与深海水和放射性碳浓度 (Δ14C) 被发现较低。这表明碳酸盐来源于古老海水中的碳，并且携带到地球内部的海水在板块上方的弧前地幔中保留了数万年或更长时间。研究还表明，碳酸盐是在地幔岩石破裂时形成的，所产生的流体在短时间内（几十年内）喷出。
这一结果提供了有关浅俯冲带碳循环的新知识，并增进了我们对全球碳循环的理解。这也是首次在日本专属经济区内确认与地幔岩石有关的冷泉水痕迹，希望未来能够阐明与生物活动的关系。
此结果发表在 Nature Portfolio 杂志“通信地球与环境''将于12月3日（日本时间）发布。这项研究的部分内容得到了 JSPS 科学研究补助金（18J01649、19K14827、20KK0079、15H05831、18KK0376、16H06347）的支持。
标题：
深渊文石记录了弧前地幔中停滞的古海水的喷发
(DOI: 101038/s43247-021-00317-1)
作者：大柳凉介1,2，冈本敦3，马杜苏丹·萨蒂什-库马尔4，南正代5，由美子线6，土林胜义1,7
1。日本海洋地球科学技术机构
2。国士馆大学理工学院
3。东北大学环境科学研究生院
4。新泻大学理学院、国立大学法人
5。国立大学法人东海国立大学组织名古屋大学宇宙地球环境研究所
6。产业技术综合研究所
7。国立大学法人东海国立大学机构名古屋大学环境研究科
大气中的碳主要以二氧化碳和甲烷的形式存在，它们被称为导致全球变暖的温室气体。然而，地球上存在的碳只有少量存在于大气中，90%以上存在于地球内部。因此，弄清楚地球内部的碳如何进入大气中将有助于预测未来大气中的碳浓度将如何变化。随着板块俯冲，地球表面存在的碳被带入地球内部。据信，碳在地下钻入150公里后开始浮出水面，并以火山气体的形式返回地球大气层。这些俯冲带深处的碳循环大约需要一千万年，在此期间碳储存在地下。近年来，有人指出存在一种浅碳循环，即碳因板块运动而下沉到地下30公里以下的深度，然后又返回地表。然而，这个周期的时间尺度尚不清楚。
2017 年 7 月，我们进行了 YK17-14 第 2 段巡航（首席科学家：Katsutaka Dobayashi），以澄清伊豆小笠原海沟向陆斜坡的海底地质结构。我们利用载人研究潜水器新海6500号，在伊豆小笠原海沟（深度6400米）向陆斜坡上的海龟海山（图1）采集岩石，发现海底出露了蚀变的前弧地幔岩（蛇纹岩）。我们还发现了裂缝（碳酸盐脉），碳酸盐（文石）在蛇纹岩中沉淀（图2a，b）。通常情况下，碳酸盐矿物溶解在深度约 6,400 米的海水中，因此这条碳酸盐岩脉表明，与岩石反应产生的流体以泉水的形式喷发。在这项研究中，我们分析了这些碳酸盐矿物的化学成分、同位素和矿物结构，以研究含碳流体的起源和流动，并了解浅俯冲带碳循环的现状。
图 1 测量点位置（海龟海山）。距东京直线距离约1,000公里。
图 2 (a) 碳酸盐（文石）的出现。它是在从深度约 6,400 米的海龟海山收集的蚀变地幔岩（蛇纹岩）的裂缝中沉淀出来的。 (b)图2(a)中白色虚线包围区域的放大图。文石具有针状形状。 (c) 文石静脉的 X 射线 CT 图像。它显示了文石矿脉中所含蛇纹石碎片的三维分布。蛇纹岩碎片彼此不接触，表明碳酸盐是通过流体流动和化学反应之间的相互作用而沉淀的。
收集到的蛇纹石已出现明显的裂纹，这些裂纹被针状文石晶体的生长所填充（图2a、b）。这些碳酸盐矿脉还经常含有蛇纹岩碎片。当使用 X 射线 CT 观察三维结构时，岩石碎片彼此不接触，并且似乎漂浮在碳酸盐基质中（图 2c）。这一特征表明高速水流参与了碳酸盐的沉淀。
我们还测量了碳酸盐中碳和氧的稳定同位素组成和微量元素组成。结果表明，碳酸盐来源于溶解在海水中的碳，是在2℃左右的深海底条件下，蛇纹岩与海水反应析出的。除此之外，碳酸盐中所含的放射性碳浓度（Δ14C) 的含量极低（图 3）。由于放射性衰变，放射性碳的浓度具有随着时间的推移而减少的性质，因此它是估算碳年龄的指标。这么低14C 浓度表明，溶解在海水中的碳在作为碳酸盐矿物沉淀之前在弧前地幔岩石内循环了数万年（图 4a、b）。
此外，从热力学和流体动力学的角度对这一降水过程进行数值分析，发现海水以每秒001至01m的速度从地幔岩石内部喷发，喷发最长持续数十年（图4c）。该流体喷射的速率类似于流体从热液喷口喷射的速率。这些结果得出的结论是，海水在弧前地幔中保留了数万年，并且由于断裂而持续喷发了短短几十年。
图3 碳酸盐的放射性碳浓度(Δ14C) 和碳稳定同位素比 (δ13C)关系的图表。 δ13C由与国际测定标准样品(VPDB)同位素比的偏差表示。碳酸盐的碳含量与现代海水的碳含量大致相同δ13C值。另一方面，Δ14C值。
图4本研究揭示的碳循环概念图
(a) 调查地点（Kaigame 海山）的横截面图。 (b)图4(a)中虚线区域的碳循环概念图。当溶解在海水中的碳被输送到地球深处时，其中一些会被释放到板块上方的地幔岩石中，并在那里储存数万年或更长时间。 (c)图4(b)中虚线区域的放大图。断层运动导致地幔岩石破裂，释放储存的海水并沉淀碳酸盐。据透露，释放海水的时间从10天到10000天不等。
这项研究表明，含碳海水在浅俯冲带中循环了数万年。这一研究结果意味着，虽然此前已知的深层碳循环的时间尺度约为1000万年，但浅层碳循环的时间尺度要短两个数量级以上。换句话说，浅层碳循环可能是俯冲碳返回地表的一条“捷径”。
这项研究还表明，弧前地幔具有储存海水和碳数万年的潜力。在那里，地幔岩石和海水之间可能会发生化学反应（蛇纹石化），产生氢气、甲烷和其他生命活动所需的能量。将蛇纹石化与生命活动联系起来的研究主要集中在马里亚纳海沟和大西洋中脊的热液区和泉水区。2015 年 10 月 23 日报道)，加利福尼亚州的土地泉水 (2017 年 7 月 21 日报道)等已积极开展。这项研究首次发现日本附近伊豆小笠原海沟中暴露的地幔岩石喷出流体。伊豆-小笠原海沟有潜力成为阐明地幔岩石生物活动与化学反应之间相互作用的重要研究场所。
该调查地点（海龟海山）是“前弧地幔钻探项目”的候选钻探地点之一，该项目是国际深海科学钻探计划 (IODP) 的一部分。基于本研究成果，如果实现超深海勘探船“地球号”的弧前地幔挖掘，将能够更加定量地评价浅俯冲带的碳固定和循环，阐明浅层碳循环对地下生物圈和深海生态系统的影响。这可能会导致对地球表层碳含量的更复杂的预测和工程应用。