陳立學（現為台灣大學地理系大四學生）

地函是碳的巨大儲藏庫

大氣中的碳主要以二氧化碳或是甲烷等形式存在，作為常見的溫室氣體而被大眾所知，不過除了這些大氣中的碳之外，全球有超過90%的碳存在於地球內部，也是因為如此，研究碳在地球內部與大氣之間交換移動的作用，可以幫助我們預測未來大氣中碳濃度的變化趨勢。在地表存在的碳會跟著板塊隱沒作用被帶到地球內部，一般認為這些碳會下潛到地下150公里深處，再以火山氣體的形式被排出到地表大氣中，這個牽涉到隱沒帶深部的碳循環時間尺度估計有1000萬年，碳在這段期間儲藏於地底深處。近年有研究指出，碳也會伴隨著板塊活動而被帶到地底約30公里的淺層處，再回歸到地表而形成淺層碳循環，不過這種循環的時間尺度目前尚未明瞭。

在2017年7月，為了瞭解伊豆小笠原海溝上盤側坡地的海底地質構造而進行了一次航海任務，使用載人潛水調查船「深海6500」(しんかい6500)在水深6400公尺的海龜海山採取岩石樣本，證實了經過變質的前弧地函岩石(蛇紋岩)有出露於此處的海床。這些蛇紋岩樣本有顯著的龜裂狀況，針狀的霰石結晶成長於其中，並充填了這些裂隙，在這些碳酸鹽岩脈當中還可見蛇紋岩的破片參雜其中。經過X光電腦斷層掃描觀察其三維構造，發現這些蛇紋岩破片沒有互相接觸，而是「浮」在碳酸鹽基質中的狀態。

 

圖一、海龜海山的位置與調查地點(Oyanagi et al., 2021)

 

對於岩石樣本的分析

對於這些霰石進行分析後，發現其穩定碳同位素(碳13)的含量比跟深海海水是相似的，而放射性碳同位素(碳14)的濃度則較深海海水還要低。因為放射性碳同位素的數量會隨著時間而漸漸衰減，此性質可以成為推斷含碳物質年齡的指標，像此樣本這樣的碳14濃度代表這些溶在海水當中的碳已經在前弧地函的岩石中循環了數萬年以上，才以碳酸鹽類礦物的形式析出。從以上的這些性質，可以推論這些碳酸鹽類礦物中的碳應源自於古海水，這些被帶到地球內部的海水在隱沒帶上盤的前弧地函中滯留了數萬年之久。

透過熱力學與流體力學的觀點，對於這些碳元素以礦物結晶的形式析出的過程進行數值解析，這篇研究還瞭解到了地函岩石最終在破碎之後，在數十年內的時間尺度下將這些古海水從地函岩石當中噴出，噴出速率約在每秒0.01公尺到0.1公尺之間，形成了這些碳酸鹽礦物的結晶。通常在水深6400公尺的深海中，碳酸鹽類礦物應會溶解於海水之中，在這個深海海床當中卻發現了碳酸鹽岩脈，反映了湧泉在此的活動。本研究對此碳酸鹽類礦物的化學組成、同位素、礦物結構進行分析，推斷這些含碳流體的起源與移動的歷史，希望能藉此推論隱沒帶淺部碳循環的確切形貌。

圖二 、本研究所建立的碳循環模型。如(b)所示，海水除了隨著隱沒板塊被帶到地函深部之外，有一部分會被釋出到隱沒帶上盤板塊的地函岩石當中，停留超過數萬年之久，再經過如(c)的過程，經由地函岩石的碎裂而以每秒0.01到0.1公尺的速率在10~10000天的短時間內釋出，並析出碳酸鹽的結晶。(Oyanagi et al., 2021)

此研究的重要意義

過去人們知道的深部碳循環,有著約千萬年尺度的循環週期，而這篇研究表明，含有碳的海水在隱沒帶淺部會以數萬年以上的時間來循環，耗費的時間比原先我們所瞭解的深部碳循環還要少了兩個數量級以上。也就是說，對於被隱沒帶送到地底的碳元素而言，淺部碳循環可能是其回歸地表的「捷徑」。

另外本研究也表明了前弧地函可能儲藏海水與碳數萬年之久。地函岩石與海水之間有可能透過化學反應(蛇紋岩化作用)，產生了氫氣、甲烷等生命活動必要的物質。除了馬里亞納海溝之外，在大西洋中洋脊的熱水熱泉帶、美國加州的陸上湧泉等地，都有著蛇紋岩化作用與生命活動的相關研究。本次的研究成果是對於隱沒帶淺部碳元素循環的全新發現，讓我們對於地球碳元素循環的理解前進了一大步。在伊豆小笠原海溝發現的這個流體從地函岩石中噴出的案例，是日本近海首次的相關發現，可能成為未來科學家研究地函岩石的化學反應與生命活動之間相互作用的重要調查地點。

本調查地點(海龜海山)是國際深海科學掘削計畫(IODP)的「前弧地函掘削計畫」(前弧マントル掘削計画)的候補地點之一。基於這次的研究成果，如果能藉由研究船「地球號」在此進行前弧地函的鑽探，將可能讓我們能夠定量地探討淺部碳素循環對於地底生態系、或是深海生態系的影響，並能讓未來地表碳含量的預測估計更加精準，在工業上也可能也將有所應用。

*本文章翻譯修改自日本東北大學院環境科學研究科岡本敦教授在2021年12月6日發表於東北大學官方網站上的導讀文章，為2021年12月3日發表於Communications Earth ＆ Environment上的相關研究進行導讀。導讀文章原文可見以下網址：https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/12/press20211206-01-mantle.html

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參考資料

Oyanagi, R., Okamoto, A., Satish-Kumar, M. et al. Hadal aragonite records venting of stagnant paleoseawater in the hydrated forearc mantle. Commun Earth Environ 2, 243 (2021). https://doi.org/10.1038/s43247-021-00317-1