Carbonatite melt pathways connect the deep mantle to Archean craton margins
本研究利用长周期大地电磁数据，旨在识别高尔德克拉通（Gawler Craton）下方具有导电性和各向异性的结构，以此作为深部地幔碳酸盐熔体将挥发分和稀土元素输送至克拉通边缘的证据，其中析出的石墨在莫霍面处形成了低电阻率特征。
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在地球深处，一个隐藏的循环正将碳从地球内部运回地表，这一过程已经活跃了数十亿年。这个循环至关重要，因为它调节着我们大气层和海洋的化学成分，但碳如何从深层地幔向上移动到地壳的机制一直以来都难以捉摸。科学家们知道，含碳岩石在俯冲带（即一个构造板块滑入另一个板块之下之处）被带入地球内部。其中一部分碳在过程早期就会被释放，但人们认为很大一部分比例会通过一种被称为碳酸盐岩熔体的特殊类型岩浆移动得更深。这些熔体非常独特，因为它们富含碳，并且能够溶解并运输稀有元素和气体。然而，在地下深处观测这些微小的熔体囊泡极其困难。它们太小了，无法被直接观测，而且它们向地表发送的信号很容易与其他物质（如富水矿物）混淆。
来自阿德莱德大学的一个研究小组现在利用一种称为大地电磁法（magnetotellurics）的强大方法，窥探了澳大利亚南部高勒克拉通（Gawler Craton）下方的这个隐藏世界。这个被称为“克拉通”的古老岩石块构成了大陆的稳定核心。科学家们在景观中部署了一个传感器网络，用以测量流经地球的自然电流。通过分析这些电流随时间的变化方式，他们得以构建出一幅详细的地下深处三维导电性图谱。他们的目标是寻找那些难以捉摸的碳酸盐岩熔体的特征，并了解它们是如何在地壳和地幔中移动的。
研究人员在高勒克拉通中心深处发现了一个显著的异常现象。在大约180公里的深度，即地球坚硬的外壳与下方流动的地幔交界处，他们发现了一个导电性极强的岩层。该层的导电性约为其上方岩石的1,000倍。团队发现，这个导电层并非均匀分布；它具有高度的方向性，在特定方向上的导电能力远高于其他方向。这种被称为各向异性（anisotropy）的定向特性表明，这种导电物质并非随机分布的液体团，而是组织成了细长的、排列整齐的通道。
作者认为，对这一导电且具有方向性的岩层最可能的解释是极少量的碳酸盐岩熔体。他们估计，仅需0.05%的熔体体积——大约相当于大桶水中的几滴水——就足以产生他们观察到的电信号。如此小比例的熔体足以剧烈降低岩石的电阻，因为熔体在矿物颗粒的边界处形成了连接网络。研究人员明确排除了富水矿物本身能够导致这一现象的可能性。虽然水可以增加岩石的导电性，但他们测得的导电水平过高，即使岩石处于饱和状态，也无法仅靠水来解释。他们还考虑了富含氟化物的矿物可能性，但证据更强烈地指向了碳质熔体的存在。
这项研究还揭示了位于该古老克拉通边缘的第二个相关现象。在大约40公里的深度，即地壳与地幔的交界处，研究人员发现了另一个低电阻区。与深层地幔导体不同，该区域的定向性较弱。团队将其解读为：碳在被深层熔体携带上升后，在地壳中被释放并转化为石墨的过程。随着含碳流体向上移动并冷却，碳从溶液中析出并形成了固体石墨，而石墨是极佳的导电体。这一过程在下地壳中创造了一个持久的导电层，并稳定存在了数十亿年之久。
这一发现表明，深层地幔与地球表面之间存在着持续的联系。研究人员提出，古代的构造事件（特别是约16亿年前海洋板块的俯冲）将富含碳的物质推入了深层地幔。这些物质产生了少量的碳酸盐岩熔体，并被困在克拉通底部的通道中。随着时间的推移，部分熔体向克拉通边缘迁移，上升进入地壳，留下了石墨沉积。这一路径不仅解释了电信号，还提供了一种机制，说明了碳以及其他珍贵元素（例如在奥林匹克丹矿床等主要矿床中发现的元素）是如何在地球中进行运输并富集的。这些发现为我们提供了一个难得的机会，去窥见这种塑造了地球化学性质及矿产财富的深层地球过程。
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