深部地幔中的碳循环对矿物熔融、地幔氧化还原状态以及水等挥发性成分输送等基本物理化学过程起控制作用，但地震波所反映的地幔内部结构对应的地球物理学特征，此前一直未能得到阐明。
地震学上的一大谜团是在俯冲板片和上涌的地幔柱中，除了深度约520公里处中过渡带地震学结构的不连续面外，在其稍下方的深度约560公里处也观测到了不连续面反射信号。此前认为该现象源于硅酸钙（Davemaoite，CaSiO₃）的出溶（特定成分矿物从固溶体中溶出的现象），但硅酸钙的物性值（地震波S波速度）无法产生此前观测到的2%～4%不连续现象。
此次，爱媛大学尖端研究院地球深部动力学研究中心的张友悦助教，利用大容量多面砧压机装置进行高压高温实验（约20万大气压、1200～1600℃），明确了地球深部俯冲洋壳与硅酸盐的相互作用。
图1 该示意图展示了中过渡带520公里不连续面产生分裂的推演机制。在俯冲板片下沉过程中，碳酸盐化洋壳中的CaCO₃与硅酸盐发生反应，大幅增加了硅酸盐中的钙含量。富钙洋壳中溶出的毛钙钛矿可在560公里深度被地震波探测到，表现出2%～4%的剪切波阻抗变化。上涌的地幔柱可将古老且经过改造的再循环洋壳带回地球表面，该洋壳具有很高的钙含量，同样能在约560公里深度展现出2%～4%的剪切波阻抗变化的地震波特征。颜色由浅灰变为深灰代表硅酸盐中钙含量的增加，而由深黄变为浅黄则代表碳酸盐中钙含量的减少。（供图：爱媛大学）
实验结果表明，洋壳内碳酸盐的存在促进了洋壳与硅酸盐之间的Ca-Mg交换，同时在富Fe条件下，硅酸盐对Ca的摄取增大，大幅增加了硅酸钙的溶出。该反应使硅酸钙在深度约560公里附近以体积比12%～33%富集，并产生了2%～4%的物性差异，而这一差异正好能够解释520公里不连续面发生分裂并形成多个地震学不连续面的原因。
由此，通过地幔柱从地幔深部再循环至地表的富含硅酸钙的地壳物质，能够解释在地幔柱高温热区域下方检测到的深度560公里地震波反射面的存在。这表明，俯冲的碳酸盐会主导矿物相平衡变化，强化化学成层，并在地球内部留下深部碳循环清晰且长期的地震学痕迹。
相关成果已发表在《Nature Communications》上。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Deep carbon cycling drives the splitting of the 520-km mantle discontinuity
DOI：doi.org/10.1038/s41467-026-76803-x
