大洋沉积物包含碳酸钙和有机质（浮游植物碎片）。沉积物俯冲进入深部地幔后，部分碳（C）从板片中释放，并通过岛弧岩浆作用返回到大气。通常认为，岛弧岩浆的C同位素组成反映了无机碳（碳酸盐）和有机碳（石墨）的混合。但近期意大利米兰大学Tumiati有关俯冲过程中碳酸盐和石墨C同位素交换的实验结果对以上观点提出了挑战。他们的结果表明有机碳（石墨）的氧化溶解是控制CO2形成的主要过程，其同位素组成反映的是CO2/CaCO3的比例，而不是石墨/CaCO3（即有机/无机碳）的比例。相关成果近期发表在NatureCommunications。
现代开放大洋沉积物主要为浮游植物。碳酸钙主要为有机物的外壳，如颗石藻，其C同位素组成为δ13C≈0‰。而有机质主要为开阔海底的浮游植物碎屑，由于光合作用，其C同位素组成为δ13C≈-20‰。稳定C同位素组成和质量平衡的计算通常采用简单的混合模式，然而，简单混合模型的适用性取决于一些可能过于简单的假设，如沉积端元组成在空间和时间上是不变的，以及在变质作用期间达到同位素平衡。尤其是弧下有机碳和无机碳的溶解和同位素交换过程仍缺乏系统研究。为了探究以上过程，该研究开展了俯冲沉积物与大洋岩石圈分异流体反应过程中碳酸钙和有机碳之间的C同位素交换过程模拟实验，初始物质为合成碳酸钙（13C）和合成石墨（12C），温压条件为3GPa，℃。
实验结果显示文石（aragonite）晶体显示出溶解-再沉淀的特征（图1），而石墨则没有重结晶的特征，但石墨显示出较高的溶解度，然而并没有C同位素组成变化（图2）。在纯文石的实验中，尽管存在溶解再沉淀，但是含水流体溶解的C却很低，并且与氧逸度无关，模拟推测溶解的产物为Ca(HCO3)+（图2）。在含有混合文石和石墨的实验中，溶解CO2量约为纯石墨实验中的一半（图2）。
图1实验产物的微观结构
图2实验二氧化碳含量和流体热力学模型
在单个矿物的实验中，溶解的CO2与初始物质的C同位素组成一致；在两种矿物实验条件下，当实验时间较短时，溶解C富集12C，而在较长的实验条件下，倾向于富集13C（图3）。微区C同位素分析的结果显示文石晶体具有C同位素环带变化，重结晶的边部具有与文石全岩类似的特征，但核部倾向于初始物质的C同位素特征（图3）。相反，实验后石墨C同位素组成无变化。在最短实验条件下CO2富含12C，且没有新形成的石墨，表明在混合实验中，CO2的早期来源是不可逆氧化溶解的石墨（图3）。该实验结果证实了℃时石墨与文石之间碳同位素交换速度缓慢，这与石墨中C扩散速率缓慢的结论一致。基于此，该研究提出了文石与石墨之间的C同位素交换模型（图3c）。
图3实验流体和固体的C同位素组成
在石墨饱和以及固定的温压条件下，纯的无碳酸盐的碳氢氧体系中石墨氧化产生的二氧化碳量仅取决于：(i)氧化还原条件，氧化程度越高，CO2比例越高；(ii)水的量越高，CO2量越高。因此，在石墨饱和条件下，只要石墨存在，氧化产生的二氧化碳量并不取决于体系中石墨的量。在石墨+文石+水体系，由于文石溶解的C可以忽略，因此该体系仍遵循以上规则。基于相关实验参数，该研究计算了文石+石墨体系在不同氧化还原条件下(ΔFMQ)由传统石墨饱和流体热力学模型预测的XCO2值（图4）。基于全球岛弧的δ13C范围，可以获得氧逸度和水/文石的比值范围（图4）。
图4数字模拟获得的板片释放CO2的δ13C与ΔFMQ和水/文石(水岩)摩尔比的关系
该研究对激烈争论的钻石成因提供一定的线索。研究显示钻石的特征是具有轻的、类似有机质的C同位素组成。事实上，该项研究结果显示在弧下条件下与石墨饱和流体相互作用后，沉积碳酸盐岩在13C中只会略有亏损，但是结果也显示在高度氧化的条件下或水/碳酸盐(流体/岩石)比非常高的情况下，它们在局部会变轻（图4）。由于它们在高压条件下的稳定性，这些碳酸盐可能会进一步俯冲，最终在金刚石稳定性领域形成富含12C的碳源，这些碳源来自碳酸盐岩，而不是有机质（图5）。
图5弧下壳幔界面碳同位素交换过程示意图
该项实验研究证明，有机碳含量不是控制溶解CO2碳同位素特征的相关变量，其同位素特征仅依赖于氧化还原条件和流体-岩石比。岛弧排放气体的δ13C不是俯冲有机碳和无机碳的简单混合。因此δ13C的变化并不一定反映源区组成的变化，如地壳浅层碳酸盐同化或有机质为主的缺氧沉积物的埋藏。相反，它可能反映了流体-岩石比率或氧化还原状态(即氧化条件vs.还原条件)的局部变化。
该项研究近期发表在NatureCommunications上Tumiati,S.,Recchia,S.,Remusat,L.,Tiraboschi,C.,Sverjensky,D.A.,Manning,C.E.,VitaleBrovarone,A.,Boutier,A.,Spanu,D.,Poli,S.().Subductedorganicmatterbufferedbymarinecarbonaterulesthecarbonisotopicsignatureofarcemissions.NatureCommunications,13(1),.
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