CO2是主要温室气体之一，其在大气中的浓度影响地球的宜居性。在地质时间尺度（>100万年），大气中的CO2浓度通过硅酸盐风化和地质碳释放等过程的碳收支来调节和平衡。其中碳释放与地球上的板块构造活动有关（～100 Mt C/yr），包括洋中脊岩浆作用、弧火山作用、海底扩散脱气和大陆板内裂谷等（图1a）。大陆碰撞是板块构造最显著的过程之一，然而，诸如喜马拉雅之类的大陆碰撞带究竟充当着净碳汇还是碳源的角色仍存在巨大争议（图1b）。
图1 喜马拉雅碳源/汇的主要地质过程和通量、及与全球长周期碳收支的对比
几十年来，碰撞造山带由于山脉隆升和高海拔加剧的硅酸盐风化，通常被认为是净碳汇地。例如，喜马拉雅-青藏高原隆升引起巨量硅酸盐风化剥蚀、并沿着印度河、恒河和雅鲁藏布江（布拉普马特拉河）搬运侵蚀物质/有机碳流入印度洋，带来巨大的碳汇（图1c）。调查估计，喜马拉雅通过硅酸盐风化产生的现代碳汇约为1.5 Mt C/yr (或11 Mt C/yr)。然而，近年来研究发现喜马拉雅的温泉和裂谷正在释放大量的CO2（4–11 Mt C/yr）（图1b）。这种地表CO2去气被归因于深部沉积物的变质脱碳作用。作为经典的大型热碰撞造山带，与高喜马拉雅结晶岩系(GHC)的埋藏和俯冲有关的巴罗型或高压型区域变质作用被认为是主要脱碳过程（图1d）。前人对GHC岩石变质脱CO2通量的估算存在很大差异（2.4–6.6 Mt C/yr，Kerrick and Caldeira，1999；0.4–5.2 Mt C/yr，Rapa et al., 2017；0.14–0.5 Mt C/yr，Groppo et al., 2017, 2022）。然而，大部分这些估算并没有引起足够的重视。那么，喜马拉雅的碳源通量是否真的被严重低估了呢？除了现有碳源，是否还存在其他未知的深部碳源过程和机制？
基于上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所吴福元院士课题组王佳敏副研究员与Kyle Larson教授、张进江教授、赵亮研究员等合作，对喜马拉雅中部珠峰-扎嘎曲-聂拉木三个剖面的藏南拆离系进行研究，提出并厘定了碰撞造山带未被识别的新碳源：藏南拆离系剪切带向上扩展过程中，拆离断层将下盘高温混合岩(750-–970 C，GHC)与上盘未变质沉积岩（特提斯喜马拉雅）并置，导致上盘底部的含碳酸盐岩石发生巴肯型变质脱碳作用（图1d）。该新碳源机制，主要是通过藏南拆离系来控制的。藏南拆离系是世界上最著名的大型低角度拆离断层，沿喜马拉雅东西延伸达 2400公里；它与喜马拉雅核部高级变质岩的挤出折返过程息息相关，喜马拉雅大多数>8000米的山峰均有藏南拆离系的出露，并可能记录了它们的隆升过程。自Burchfiel et al. (1992)首次提出藏南拆离系的概念以来，其一直是喜马拉雅研究的热点。前人研究主要集中在藏南拆离系的位置划分、变形样式和活动时代等，但对藏南拆离系内岩石的压力-温度（P-T）条件和变质作用时代的研究极少。缺乏变质作用研究的部分原因是其中的富碳酸盐岩石的变质程度普遍较低，不容易做P-T和年代学分析，导致其至今仍缺乏完善的 P-T 时间 (t) 历史演化记录。
该研究综合利用野外剖面测绘、详细的岩相学、压力-温度测定、全岩化学成分分析和岩石年代学（图2），在三年野外工作积累的大量样品中遴选出适合做P-T条件和岩石年代学分析的少数样品，来克服藏南拆离系研究中存在的上述研究难点。研究结果表明：
（1）藏南拆离系内的钙质硅酸岩和钙质片岩经历了巴肯型变质作用的叠加（M2），其P-T 条件为630–400 C和5–3 kbar (变质地温梯度36–48 C/km，图3）；
（2）独居石和榍石 U(-Th)-Pb 岩石年代学表明变质作用发生在大约23 Ma和19 Ma之间，且与藏南拆离系的早期变形同期；沿着藏南拆离系的剪切活动至少持续到了17–16 Ma，导致大部分钙硅酸岩中榍石U-Pb 体系的重置（图2）；
（3）碎屑锆石U-Pb年代学表明，藏南拆离系中的钙质硅酸岩和钙质片岩与特提斯喜马拉雅具有亲缘性，在藏南拆离系向上扩展过程中被卷入至剪切带并发生变质；
（4）根据变质脱碳反应、原岩成分恢复和脱碳效率研究，估算藏南拆离系中富碳酸盐岩石在发生巴肯式变质时的CO2脱气量约为0.6 Mt C/yr；结合喜马拉雅的岩浆-变质-沉积-隆升事件，研究进一步对喜马拉雅碳源和碳汇的主要深部构造机制进行了探讨，认为喜马拉雅从净碳源转为净碳汇的时间节点为中中新世（图4）。
研究对藏南拆离系向上扩展和其导致的巴肯型变质脱碳作用的新认识，为了解碰撞造山带中大型低角度拆离断层的发育过程以及喜马拉雅中新世中期究竟是净碳源还是碳汇的问题提供了关键的新信息。
图2 喜马拉雅珠峰地区、扎嘎曲、聂拉木三个经典的藏南拆离系（STDS）剪切带剖面，及其中的剖面厚度、岩石矿物组合、变质温度、变质年龄
图3 藏南拆离系（STDS）剪切带内钙质硅酸岩和钙质片岩的变质P-T条件、变质地温梯度、变质-变形温度剖面
图4 喜马拉雅造山带岩浆-变质-沉积-隆升事件年代学格架及长周期碳源/汇通量
研究成果发表于国际学术期刊Lithos（Wang J M, Larson K P, Zhang J J, Zhao L, Wu F Y. Buchan-type metamorphic decarbonation during the upward expansion of the South Tibetan Detachment System: A new carbon source in the Himalaya[J]. Lithos, 2024(464–465): 107428. DOI: 10.1016/j.lithos.2023.107428）。成果受国家自然科学基金项目（41888101）、国家重点研发计划（2022YFF0800800）、第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0703）、岩石圈演化国家重点实验室(SKL-Z202102)、中科院地质地球所重点部署项目(IGGCAS-202201)和中国科学院青年创新促进会项目（2022065）联合资助。
