地球超过90%的碳储存在地球深部。大洋俯冲带是板块构造和地球动力学的核心组成部分，也是连接表层碳库与深部碳库的关键通道。厘清俯冲带中碳的释放过程与循环效率，是理解地球长期碳循环、气候演化和宜居性的重要基础。
长期以来，国内外学者从变质岩石学、地球化学、高温高压实验和热力学模拟等方面，对俯冲带深部碳循环开展了丰富研究，然而俯冲板片在不同热结构条件下脱碳行为、脱碳效率及脱碳机制如何变化以及哪些因素起主导作用，仍存在较大争议。数值模拟能够将实验、理论和观测有机结合，是认识深部碳循环的重要手段，但建立能够真实描述俯冲带碳循环过程的岩石–流体–热–动力学耦合模型仍是是国内外研究热点和难点。这一难题主要源于两个方面：一是板片脱碳不仅涉及变质脱碳、溶解脱碳、熔融脱碳等多类机制，且与板片脱水/水化作用和流体迁移方式密切相关；二是每个俯冲带具有独特的碳输入和碳输出特征，需要整合俯冲带真实的几何学、运动学和动力学特征以及俯冲板片的物质组成开展针对性模拟。
针对上述技术难点，近期国科大李忠海团队自主开发了一套水–碳–流体/熔体–岩石–热–动力学多物理场耦合的地球内部碳循环数值模拟程序（HEPs_vol）。该程序耦合了俯冲带热结构模拟与热力学相平衡计算，集成含水/含碳能力相图、碳酸盐矿物稳定域及碳酸盐矿物溶解度等关键数据库，将变质脱水、变质脱碳和溶解脱碳等过程纳入统一的开放体系模拟框架；同时结合不同俯冲带的真实几何结构、运动学、热结构及岩石组成，实现了针对不同俯冲带深部碳循环过程的定量模拟，突破了多种脱碳机制难以统一模拟和真实俯冲带难以开展针对性建模两项关键技术难点。
图1.多物理场耦合的俯冲带碳循环数值模拟程序HEPs_vol示意图。
基于HEPs_vol程序，团队开展了系统性研究，从数值方法开发、系统参数空间分析到真实俯冲带应用，逐步建立了深部碳循环的数值模拟体系，系统评估了不同热状态下变质脱碳、溶解脱碳及其综合效应，揭示了俯冲带热结构对板片脱碳过程与脱碳效率的控制机制，深化了对俯冲带深部碳循环的认识：
一、冷俯冲显著抑制变质脱碳，脱碳效率随热参数指数衰减
针对变质脱碳，团队考虑了两种端元变质脱碳模式：仅由压力-温度控制的PTD模式和由压力-温度-水含量控制的PTHD模式。结果表明，忽略板片脱水和流体迁移造成的体系含水量变化，会高估变质脱碳通量，PTD模式变质脱碳通量约为PTHD模式的2倍。进一步的系统性参数测试建立了变质脱碳通量和俯冲带热参数之间的定量关系：随着板片年龄和俯冲速率的增大、俯冲体系变冷，变质脱碳通量和效率呈指数下降。对于现今多数俯冲带的热状态（），变质脱碳效率总体有限，意味着大量板片碳可能穿过弧下深度，继续输送至深部地幔。
图2.俯冲带热参数与变质脱碳通量的关系。变质脱碳通量随热参数呈指数下降，表明俯冲带越冷，板片变质脱碳通量越低。
二、溶解脱碳并非越热越强，暖俯冲带最有利于碳酸盐溶解
针对溶解脱碳，团队考虑了通道化流动（channelized flow，CF）和弥散渗流（pervasive flow，PF）两种端元流体迁移模式。模型表明，流体迁移模式影响脱碳通量，弥散渗流可扩大流体–岩石反应效应，使溶解CO2通量约为通道化流动的3倍。系统参数测试进一步发现，溶解脱碳并非在最热或最冷的俯冲带中最强，而是在中等热参数（）的暖俯冲带达到峰值，反映了脱水通量和碳酸盐溶解度的竞争效应。这一发现潜在解释了暖俯冲带Nicaragua的岛弧火山CO2通量比热俯冲带Cascadia和冷俯冲带Hokkaido更高的现象。
图3.俯冲带热参数与溶解脱碳通量的关系。溶解脱碳通量在暖俯冲带条件下达到峰值（）。
三、热俯冲带高效的“聚焦式”脱碳，冷俯冲带低效的“弥散式”脱碳
聚焦自然界真实俯冲带脱碳过程，团队选取西太平洋极冷的Tonga俯冲带和东太平洋极热的Colombia俯冲带，基于上述两个端元俯冲带真实的板片几何、板片年龄、汇聚速率和全岩成分构建了针对性的碳循环模型，进一步整合火山CO2脱气观测和弧岩浆地球化学，定量评估了变质脱碳、溶解脱碳、熔融脱碳的作用。研究识别出两种截然不同的板片脱碳模式：热俯冲带Colombia表现为高效的“聚焦式”脱碳模式，以变质脱碳为主，并可能叠加沉积物熔融脱碳，脱碳集中在75 km至115 km深度，总脱碳效率超过15%；冷俯冲带Tonga则表现为低效的“弥散式”脱碳模式，以溶解脱碳为主，脱碳发生在75 km-310 km深度，总脱碳效率只有1%。两种对比鲜明的脱碳模式，影响着现今和古老俯冲系统的深部碳循环和岛弧火山脱气，并可能进一步影响太古宙以来的全球碳循环和气候演化。
图4.热俯冲带和冷俯冲带脱碳特征对比。热俯冲带表现为高效的“聚焦式”脱碳，冷俯冲带表现为低效的“弥散式”脱碳。
上述从方法到应用的系统性研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助，均以中国科学院大学为第一完成单位，李忠海教授为通讯作者。其中，俯冲带深部碳循环模拟程序（HEPs_vol）的方法理论及模型框架以姊妹篇形式发表于国际地学期刊《Geophysical Journal International》，系统介绍了程序的理论基础与数值实现，博士后王杨为两篇方法论文第一作者。在此基础上，针对全球极冷的Tonga和极热的Colombia俯冲带开展的脱碳过程定量模拟与多学科观测对比研究发表于国际学术期刊《Science Advances》，博士生张恒睿和博士后王杨为论文共同第一作者。该研究的合作者包括苏黎世联邦理工学院Taras Gerya教授，中国科学院广州地球化学研究所李洪颜研究员、邓阳凡研究员、王煜研究员，中国科学院大学周信副教授，中国地质大学王水炯教授，以及西班牙国家研究委员会海洋科学研究所Jason Morgan教授。
参考文献：
Wang Y., Li Z.H.*, Zhang H.R., (2026a). Deep carbon cycling in subduction zones: 1. Thermally-controlled metamorphic decarbonation of subducting oceanic slab. Geophysical Journal International, 245, ggag084. <https://doi.org/10.1093/gji/ggag084>
Wang Y., Li Z.H.*, Zhang H.R., (2026b). Deep carbon cycling in subduction zones: 2. Moderate thermal parameter favors carbonate dissolution. Geophysical Journal International, 245, ggag207. <https://doi.org/10.1093/gji/ggag207>
Zhang H.R., Wang Y., Li Z.H.*, Gerya T.V., Li H.Y., Wang S.J., Zhou X., Deng Y.F., Wang Y., Morgan J.P., (2026). Contrasting slab decarbonation patterns control deep carbon cycling efficiency in hot vs. cold subduction zones. Science Advances, 12, aee3217. <https://doi.org/10.1126/sciadv.aee3217>
