地球是太阳系宜居带上唯一一颗有生命的行星，碳元素居功至伟。大陆地壳中约含2.6 × 10⁸ Gt的碳，其中约80%以碳酸盐矿物形式存在，比整个表生系统（大气圈、水圈和生物圈）的碳总量（约4.4 × 10⁴ Gt）高出约四个数量级。陆壳中少量碳酸盐的分解释放即可显著提高大气CO₂含量、影响全球气候；因此这些巨量碳能否稳定保存，在地质时间尺度的气候演化中举足轻重。

大陆地壳中的CO₂还是许多矿床形成的关键流体介质，造山型金矿尤为典型：其常形成于汇聚边缘，以富CO₂、含硫、低盐度流体为特征，CO₂通过缓冲流体pH维持还原硫络合的高金浓度，对金迁移至关重要；但其CO₂来源长期存在争议。碳酸盐矿物的热稳定性直接决定了壳源CO₂的供给通量与释放时序，系统研究陆壳内碳酸盐化沉积物的脱碳行为及其控制机制，既是示踪成矿流体来源、完善成矿理论的关键环节，也是理解深部碳循环与构造–热事件、成矿作用耦合关系的重要突破口。但此前对中下地壳含碳酸盐沉积物在不同构造体制下的热稳定性研究仍严重不足。

针对上述科学问题，中国地质大学（北京）、中国地质科学院地质研究所与加州理工学院的联合研究团队，以代表大陆边缘沉积物的富碳酸盐沉积物（美国地质调查局标准样品Cody Shale（SCo-1）与纯方解石按85∶15混合，简称CMS）及其贫碳酸盐对照样品（未加方解石的SCo-1，含约6 wt.%碳酸盐，简称CSS）为初始物，在0.6–1.0 GPa、750–850 °C下开展了系列高温高压实验，并基于质量平衡和H₂O–CO₂混合流体饱和度模型，计算了各产物的脱碳效率与流体组成。结果表明：

（1）富碳酸盐沉积物在高压下更易脱碳，且具有负的固相线斜率。相同温度下，CMS在1.0 GPa残余的碳酸盐含量明显少于0.6 GPa，说明脱碳反应在更高压力下进行得更彻底。与贫碳酸盐的CSS（固相线斜率为正）形成对比，CMS固相线斜率为负：在0.6 GPa、850 °C时仍未熔融，而在1.0 GPa、850 °C已发生部分熔融且完全脱碳。这无法用“碳酸岩熔体密度高于固态碳酸盐”来解释（本研究压力范围内未见碳酸岩熔体），而是源于CO₂对熔融的抑制：在地壳压力下，CO₂在熔体中的溶解度低于共存的碳酸盐矿物，故并不促进熔融，反而通过降低流体中的水活度（a_H2O）抬高固相线，且该效应随压力升高而增强。这也解释了中地壳角闪岩相以H₂O为主的流体包裹体占优、下地壳麻粒岩相常见富CO₂流体包裹体的现象（图1、图2）。

（2）地壳厚度是调控大陆地壳的碳源–碳汇属性的关键因素。研究将实验数据内插外推至0.5–1.2 GPa、600–900 °C，结合三种构造背景的地温梯度对大陆地壳的碳源/汇效应进行了定量评估：在平均大陆地壳中，富碳酸盐的大陆沉积物在浅部脱碳有限，碳酸盐稳定性随深度下降，至40 km莫霍面脱碳效率达约90%，中上地壳因而成为稳定碳汇；东非肯尼亚裂谷地温梯度虽高（约30 °C/km），但地壳仅厚约27.5 km，减薄抵消了高温效应，莫霍面处脱碳效率与正常陆壳相当，CO₂排放以幔源为主；而喜马拉雅–青藏造山带高地温梯度与地壳增厚叠加，同深度脱碳效率显著高于正常陆壳。这意味着地壳缩短增厚时，浅部较冷的上中地壳碳酸盐被输送至深部热的下地壳会引发强烈脱碳，此时陆壳转为阶段性的CO₂源——该造山带每年约37 ± 21 Mt的壳源CO₂排放（与全球洋中脊地幔脱气59 ± 10 Mt/yr相当）有力支持这一机制（图2、图3）。因此，造山作用增强地壳碳酸盐脱气，造山带垮塌则使陆壳恢复为碳汇。

（3）造山带深部的高效脱碳，可为造山型金矿的形成提供充足的CO₂。实验脱碳流体中CO₂的摩尔分数（X_CO2）为0.07–0.59，与造山型金矿流体包裹体的实测组成（0.05–0.90，多数集中在0.10–0.25）高度一致，表明造山过程中卷入中下地壳的含碳酸盐沉积物足以为金矿化提供含CO₂流体。该机制凸显了造山期（尤其碰撞和俯冲相关造山带）CO₂释放与金成矿的成因联系，可解释元古宙以来主要造山型金矿成矿期与全球峰期变质压力升高事件的对应关系（图3、图4）。

综上，该研究通过高温高压实验限定了中下地壳含碳酸盐沉积物的脱碳行为，提出埋藏深度与构造背景共同控制着地壳碳酸盐的命运：大陆地壳并非一成不变的碳汇，而是在造山带演化中动态地扮演碳汇与碳源的双重角色，为理解深部碳循环与造山型金矿成矿机制提供了新约束。

图1 (A) 各实验产物中相组合关系图及推测的固相线；(B–C) 代表性实验产物的背散射电子图像；(D–H) TIMA测定的含碳酸盐实验产物中的碳酸盐丰度图（粉色区域）

图2 富碳酸盐大陆沉积物（CMS）的脱碳效率及在0.5–1.2 GPa、600–900 °C条件下的内插外推等值线图；图中同时给出平均大陆地壳、东非肯尼亚裂谷和喜马拉雅–青藏造山带的地温梯度

图3 不同构造环境下大陆地壳中碳酸盐稳定性及CO₂逸出源的示意图。(A) 稳态大陆地壳；(B) 大陆裂谷；(C) 大陆碰撞造山带

图4 (A) 35亿年以来地壳碳酸盐储量的变化；(B) 全球变质岩峰期变质压力的变化（50 Myr滑动平均）；(C) 造山型金矿储量随时间的变化

该研究以“Metasediments decarbonate more easily in deeper continental crust”为题在线发表于国际地质学权威期刊Geology。研究工作得到深地探测与矿产资源勘探国家科技重大专项（2025ZD1008810、2025ZD1005005）、国家自然科学基金（42288201）、国家重点研发计划（2023YFF0804100）、中国博士后科学基金（2023M733310）、中国地质科学院地质研究所基本科研业务费（J2602）、矿冶科技集团有限公司科研基金（JTKY202427822）和中央高校基本科研业务费专项资金（2652023001）等资助。

全文链接：https://doi.org/10.1130/G54904.1