特提斯洋在显生宙期间长期发育于低纬度，受气候、生物和水体条件等因素影响在大洋和大陆边缘的温暖浅海环境广泛发育和保存碳酸盐沉积。这些碳酸盐沉积在大洋俯冲和大陆碰撞过程中卷入造山过程，随着构造-岩浆-变质过程重新进行活化。其中火山岩浆活动可以将再活化的含碳气体释放到大气圈，进而影响气候环境演变。然而，特提斯造山带的岩浆活动是否卷入了更多的碳还需要研究证实。
针对上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室吴福元院士团队联合中国地质大学（北京）刘金高教授，对青藏高原大洋俯冲和大陆碰撞阶段的火山岩开展系统研究，基于青藏高原中、新生代火山岩的矿物学、岩石学和地球化学手段，发现侏罗纪高镁安山岩和新生代钾质-超钾质岩浆岩的源区存在碳酸盐岩的重要贡献，并揭示了大洋俯冲侵蚀和大陆碰撞过程中碳酸盐物质向地幔迁移、改造与存储的机制，为理解地球深部碳循环提供了新的视角。
一、 大洋俯冲阶段：俯冲侵蚀促进富碳酸盐物质向弧下地幔迁移
针对西藏中部班公湖-怒江缝合带内约167-166 Ma的达如错高镁安山岩的研究发现（图1），这些岩石表现出显著的岛弧型微量元素特征、富集的Sr-Nd-Hf同位素组成，以及相对于地幔变化范围更大的δ26Mg（-0.30‰至-0.13‰）和明显偏重的δ66Zn（0.35‰至0.46‰）信号。
图1 （A）中生代期间的全球板块重建指示特提斯洋属于典型的低纬赤道洋；（B）青藏高原大地构造框架；（C-D）青藏高原中部班公湖-怒江缝合带和达如错弧区域地质图，标注火山岩采样点
关键证据表明，这些地球化学特征无法用单纯的硅酸岩地壳混染或正常的弧岩浆过程解释。δ26Mg与δ66Zn之间及其与CaO/Al2O3、CaO/TiO2、La/Sm等比值和Sr-Nd-Hf同位素的协同变化关系，明确指示其地幔源区同时受到了来自俯冲板片的陆源硅酸盐沉积物和碳酸盐沉积物的改造（图2，图3）。模拟计算表明，参与源区交代的再循环碳酸盐比例可能高达50%（图2a）。
图2 达如错高镁安山岩Mg-Zn同位素耦合指示其地幔源区经历了来自俯冲板片的碳酸盐沉积物的交代作用
图3 达如错高镁安山岩Mg-Zn-Sr-Nd-Hf同位素比值的协同变化指示其地幔源区同时经历了来自俯冲板片的陆源硅酸盐沉积物和碳酸盐沉积物的交代作用
研究首次提出，在特提斯洋向北俯冲过程中，发生在羌塘地块南缘的俯冲侵蚀作用将上覆板块弧前大量的富碳酸盐沉积物刮削并带入俯冲系统（图4）。这些碳酸盐物质（以钙质碳酸盐为主）在弧下地幔深度发生部分溶解，其熔/流体与地幔橄榄岩发生反应，形成了达如错高镁安山岩的源区。
图4 俯冲侵蚀模型卡通图，从上覆板块移除的弧前富碳酸盐物质参与了弧下地幔源区的部分熔融，并伴随着弧前向陆内迁移和弧前地壳截断
该研究揭示侏罗纪期间羌塘地块南缘可能发育了广泛的碳酸盐沉积，并且含碳物质可以在俯冲造山过程中有效再循环和释放。这对于解释中生代特提斯域广泛发育的碳酸盐台地在俯冲过程中的命运，以及该时期可能由强烈火山脱气作用导致的高大气CO2浓度具有重要启示。
二、 大陆碰撞阶段：俯冲沉积物的底辟作用导致碳在地幔中的大规模存储
另一项研究聚焦于青藏高原南部拉萨地体新生代（约25-8 Ma）富钾岩浆岩（图5）。这些岩石具有富集的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成，但它们的Mg-Zn同位素特征与俯冲阶段的高镁安山岩明显不同：其δ26Mg值变化较大（-0.46‰至-0.08‰），而δ66Zn值（0.23‰至0.33‰）与洋中脊玄武岩（MORB）相似。
图5 (a)青藏高原新生代富钾岩浆岩的空间分布；(b)横穿青藏高原中南部地球物理剖面；(c)拉萨地块区域地质图（标注富钾岩浆岩采样点）
结合富钾岩石全岩地球化学和矿物（橄榄石）化学组成特征，以及全岩Sr-Nd-Pb-Mg-Zn同位素混合模拟，揭示这些富钾岩浆来源于含有俯冲的印度大陆沉积物的混合源区。从时空分布和地球化学趋势上看，源区中再循环沉积物的组成在青藏高原中-北部以碳酸盐为主导，在南部则以硅酸盐为主导（图6，图7）。
图6 青藏高原新生代富钾岩浆岩的同位素特征表明其起源于含俯冲印度大陆地壳物质的地幔源区
图7 青藏高原新生代富钾岩浆岩中橄榄石斑晶组成表明（1）地幔源区经历了俯冲印度大陆物质再循环；（2）俯冲沉积物类型从以碳酸盐沉积物为主过渡为以硅酸盐沉积物为主
研究表明，简单的地幔交代模型（沉积物熔体/流体加入）难以解释其地球化学特征，而混杂岩底辟熔融模型能更好地吻合观测数据（图8）。该模型认为，在印度大陆岩石圈俯冲过程中，其上部低密度的沉积物（包括丰富的特提斯碳酸盐台地物质）从下插板片上拆离，以底辟体形式上升并与上覆地幔混合形成沉积物主导的混杂岩，部分熔融后产生富钾岩浆。
图8 青藏高原新生代后碰撞富钾岩浆岩同位素组成特征表明：（1）从北到南，火山岩源区交代特征从以碳酸盐沉积物为主过渡到以硅酸盐沉积物为主(a-f)；（2）俯冲沉积物先与地幔端元机械混合后再发生部分熔融(g、h)
由于青藏高原中、北部地区晚新生代以来未发生大规模岩浆活动，大量通过俯冲进入深部的碳酸盐物质尚未以CO2形式返回地表，而是以碳酸盐/硅酸盐沉积物混杂岩的形式存储于地幔之中（图9）。地球物理资料揭示的青藏高原下部的低速高导异常体可能正是这一深部碳存储库的反映。
图9 俯冲印度大陆沉积物（碳酸盐+硅酸盐沉积物）以底辟形式上升至大陆岩石圈地幔底部后发生部分熔融，形成青藏高原新生代后碰撞富钾岩浆岩。鉴于后碰撞背景下岩浆岩出露面积有限，并结合地球物理方面证据，表明大规模俯冲的碳储存在地幔中
三、 结论与展望
这两项研究利用多种研究手段，并结合Mg-Zn同位素地球化学示踪技术，揭示了青藏高原中生代特提斯洋俯冲和新生代印度-亚洲大陆碰撞过程中深部碳循环形式的丰富表现。
（1）大洋俯冲阶段，俯冲侵蚀作用将弧前大量富碳酸盐物质高效带入弧下地幔，通过碳酸岩交代作用和后续的岩浆活动，可能强烈影响当时的火山CO2排放和气候。
（2）大陆碰撞阶段，俯冲的大陆沉积物通过底辟作用进入上覆地幔并存储，形成了大规模的深部碳储库，部分熔融产生独特的富钾岩浆，但大部分碳可能被长期封存于地幔中，进行缓慢的碳释放。
这些进展不仅深化了对青藏高原壳幔相互作用和物质循环的理解，也为探索地球长期碳循环、联接深部过程与表层气候变化提供了关键案例。未来，结合更精细的岩石学观察、高温高压实验模拟和多尺度地球物理成像，将进一步量化不同构造背景下碳的通量与命运，完善从俯冲到碰撞的全球深部碳循环模型。
研究成果发表于国际学术期刊ESR和GCA，研究得到国家自然科学基金（92355301, 42488201, 42121002和42403045）和深地国家科技重大专项（2025ZD1008002）的联合资助。
[1] 李家亮，纪伟强*，刘小驰，刘金高，Matthew J. Kohn，吴福元. Massive carbon storage in the upper mantle via diapirism of subducted continental sediments[J]. Earth-Science Reviews, 2025, 271: 105291. DOI: 10.1016/j.earscirev.2025.105291.
[2] 李家亮，纪伟强*，刘小驰，刘金高，吴福元. Subduction erosion intensifying carbonate-rich material recycling revealed by Mg-Zn isotopic evidence from high-Mg andesites in central Tibet[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2026, 413: 156-170. DOI: 10.1016/j.gca.2025.11.051.
李家亮（博士后，现供职于中国地质大学（北京））
