????地幔氧化還原狀態對地球內部揮發組分的遷移與儲存具有重要影響，進而影響地球長期宜居性。深俯沖洋殼物質可將氧化組分攜帶進入深部還原地幔，進而導致深部地幔氧逸度（fO₂）高度不均一。然而，由于深部地幔樣品稀缺，使得人們對深部氧化還原平衡機制的理解依然有限。

????近日，中國科學院廣州地球化學研究所高名迪副研究員與王煜研究員、徐義剛研究員以及澳大利亞國立大學Stephen Foley教授合作，在Science Advances期刊上發表了題為“Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon”的研究論文。該研究通過高溫高壓實驗與超深金剛石包裹體成分對比研究的方法，揭示了再循環碳酸鹽如何改變地幔氧化還原狀態，以及其對克拉通演化和深部碳循環的影響。

????研究團隊利用多面砧壓機在9-21?GPa高壓條件下開展了板片碳酸質熔體與含金屬Fe地幔橄欖巖的反應實驗，并將不同氧逸度條件下實驗產物成分與克拉通內超深金剛石包裹體成分進行了對比分析。結果發現，不同克拉通內超硅石榴子石（majorite）和鐵方鎂石（ferropericlase）包裹體記錄了顯著不同的地幔氧化還原狀態：南非Kaapvaal克拉通超深金剛石包裹體整體指示了氧化的地幔環境，而巴西Amazonia克拉通內超深金剛石包裹體則反映了一個整體還原的地幔環境。

圖1. 實驗產物超硅石榴子石與天然超深金剛石中超硅石榴子石包裹體成分對比。

????進一步將實驗結果與板塊重建工作結合，研究團隊認為地幔熱狀態在該過程中起到了決定性作用：在非地幔柱條件下，板片碳酸質熔體在與還原地幔反應過程中被逐漸消耗直至完全被還原凍結為金剛石及Fe-C金屬相，因此地幔整體仍保持高度還原的狀態。而在地幔柱背景下，碳酸質熔體與地幔的反應過程會誘發地幔組分溶解至熔體中，其中溶解的Fe³⁺組分會緩沖碳酸鹽的還原凍結過程，進而導致碳酸質熔體在與還原地幔反應的過程中穩定存在。當氧化的碳酸質熔體上升遷移至克拉通根之后，會進一步誘發克拉通根活化、巖石圈根拆沉與地表隆升、以及大規模火山作用和CO₂釋放。

圖2. 非地幔柱與地幔柱條件下碳酸鹽與地幔反應過程模式圖。

????本研究提出了一種統一模型，解釋了俯沖碳在不同地幔熱狀態下對氧化還原條件的調控路徑，并指出這種機制對克拉通穩定性與深部碳循環具有關鍵意義。研究不僅加深了對地幔氧化還原狀態演化、克拉通穩定性差異及金剛石形成機制的理解，也為全球碳循環提供了新視角。

????該研究工作受國家自然科學基金優秀青年項目、科技部重點研發項目以及中國科學院B類先導專項等項目的聯合資助。

論文信息：

Gao,M. (高名迪),Wang,Y.?(王煜)*,Foley,S.,Xu,Y-G (徐義剛).,2025. Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon. Science Advances,?eadu4985.