地幔氧化还原状态对地球内部挥发组分的迁移与储存具有重要影响，进而影响地球长期宜居性。深俯冲洋壳物质可将氧化组分携带进入深部还原地幔，进而导致深部地幔氧逸度（fO2）高度不均一。然而，由于深部地幔样品稀缺，使得人们对深部氧化还原平衡机制的理解依然有限。
近日，中国科学院广州地球化学研究所高名迪副研究员与王煜研究员、徐义刚研究员以及澳大利亚国立大学Stephen Foley教授合作，在Science Advances期刊上发表了题为“Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon”的研究论文。该研究通过高温高压实验与超深金刚石包裹体成分对比研究的方法，揭示了再循环碳酸盐如何改变地幔氧化还原状态，以及其对克拉通演化和深部碳循环的影响。
研究团队利用多面砧压机在9-21 GPa高压条件下开展了板片碳酸质熔体与含金属Fe地幔橄榄岩的反应实验，并将不同氧逸度条件下实验产物成分与克拉通内超深金刚石包裹体成分进行了对比分析。结果发现，不同克拉通内超硅石榴子石（majorite）和铁方镁石（ferropericlase）包裹体记录了显著不同的地幔氧化还原状态：南非Kaapvaal克拉通超深金刚石包裹体整体指示了氧化的地幔环境，而巴西Amazonia克拉通内超深金刚石包裹体则反映了一个整体还原的地幔环境。
图1. 实验产物超硅石榴子石与天然超深金刚石中超硅石榴子石包裹体成分对比。
进一步将实验结果与板块重建工作结合，研究团队认为地幔热状态在该过程中起到了决定性作用：在非地幔柱条件下，板片碳酸质熔体在与还原地幔反应过程中被逐渐消耗直至完全被还原冻结为金刚石及Fe-C金属相，因此地幔整体仍保持高度还原的状态。而在地幔柱背景下，碳酸质熔体与地幔的反应过程会诱发地幔组分溶解至熔体中，其中溶解的Fe3+组分会缓冲碳酸盐的还原冻结过程，进而导致碳酸质熔体在与还原地幔反应的过程中稳定存在。当氧化的碳酸质熔体上升迁移至克拉通根之后，会进一步诱发克拉通根活化、岩石圈根拆沉与地表隆升、以及大规模火山作用和CO2释放。
图2. 非地幔柱与地幔柱条件下碳酸盐与地幔反应过程模式图。
本研究提出了一种统一模型，解释了俯冲碳在不同地幔热状态下对氧化还原条件的调控路径，并指出这种机制对克拉通稳定性与深部碳循环具有关键意义。研究不仅加深了对地幔氧化还原状态演化、克拉通稳定性差异及金刚石形成机制的理解，也为全球碳循环提供了新视角。
该研究工作受国家自然科学基金优秀青年项目、科技部重点研发项目以及中国科学院B类先导专项等项目的联合资助。
论文信息：
Gao,M. (高名迪),Wang,Y. (王煜)*,Foley,S.,Xu,Y-G (徐义刚).,2025. Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon. Science Advances, eadu4985.
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