深部地幔中的碳循環對礦物熔融、地幔氧化還原狀態以及水等揮發性成分輸送等基本物理化學過程起控制作用，但地震波所反映的地幔內部結構對應的地球物理學特徵，此前一直未能得到闡明。
地震學上的一大謎團是在俯衝板片和上湧的地幔柱中，除了深度約520公里處中過渡帶地震學結構的不連續面外，在其稍下方的深度約560公里處也觀測到了不連續面反射信號。此前認為該現象源於矽酸鈣（Davemaoite，CaSiO₃）的出溶（特定成分礦物從固溶體中溶出的現象），但矽酸鈣的物性值（地震波S波速度）無法產生此前觀測到的2%～4%不連續現象。
此次，愛媛大學尖端研究院地球深部動力學研究中心的張友悅助教，利用大容量多面砧壓機裝置進行高壓高溫實驗（約20萬大氣壓力、1200～1600℃），明確了地球深部俯衝洋殼與矽酸鹽的相互作用。
圖1 該示意圖展示了中過渡帶520公里不連續面產生分裂的推演機制。在俯衝板片下沉過程中，碳酸鹽化洋殼中的CaCO₃與矽酸鹽發生反應，大幅增加了矽酸鹽中的鈣含量。富鈣洋殼中溶出的毛鈣鈦礦可在560公里深度被地震波探測到，表現出2%～4%的剪切波阻抗變化。上湧的地幔柱可將古老且經過改造的再循環洋殼帶回地表，該洋殼具有很高的鈣含量，同樣能在約560公里深度展現出2%～4%的剪切波阻抗變化的地震波特徵。顏色由淺灰變為深灰代表矽酸鹽中鈣含量的增加，而由深黃化為淺黃則代表碳酸鹽中鈣含量的減少。（圖片提供：愛媛大學）
實驗結果表明，洋殼內碳酸鹽的存在促進了洋殼與矽酸鹽之間的Ca-Mg交換，同時在富Fe條件下，矽酸鹽對Ca的攝取增大，大幅增加了矽酸鈣的溶出。該反應使矽酸鈣在深度約560公里附近以體積比12%～33%富集，並產生了2%～4%的物性差異，而這一差異正好能夠解釋520公里不連續面發生分裂並形成多個地震學不連續面的原因。
由此，透過地幔柱從地幔深部再循環至地表的富含矽酸鈣的地殼物質，能夠解釋在地幔柱高溫熱區域下方檢測到的深度560公里地震波反射面的存在。這表明，俯衝的碳酸鹽會主導礦物相平衡變化，強化化學成層，並在地球內部留下深部碳循環清晰且長期的地震學痕跡。
相關成果已發表在《Nature Communications》上。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Deep carbon cycling drives the splitting of the 520-km mantle discontinuity
DOI：doi.org/10.1038/s41467-026-76803-x
