Forearc carbon sink reduces long-term volatile recycling into the mantle

Abstract

Carbon and other volatiles in the form of gases, fluids or mineral phases are transported from Earth’s surface into the mantle at convergent margins, where the oceanic crust subducts beneath the continental crust. The efficiency of this transfer has profound implications for the nature and scale of geochemical heterogeneities in Earth’s deep mantle and shallow crustal reservoirs, as well as Earth’s oxidation state. However, the proportions of volatiles released from the forearc and backarc are not well constrained compared to fluxes from the volcanic arc front. Here we use helium and carbon isotope data from deeply sourced springs along two cross-arc transects to show that about 91 per cent of carbon released from the slab and mantle beneath the Costa Rican forearc is sequestered within the crust by calcite deposition. Around an additional three per cent is incorporated into the biomass through microbial chemolithoautotrophy, whereby microbes assimilate inorganic carbon into biomass. We estimate that between 1.2 × 108 and 1.3 × 1010 moles of carbon dioxide per year are released from the slab beneath the forearc, and thus up to about 19 per cent less carbon is being transferred into Earth’s deep mantle than previously estimated.

El carbono y otros volátiles en forma de gases, fluidos o fases minerales se transportan desde la superficie terrestre hacia el manto en los márgenes convergentes, donde la corteza oceánica subduce bajo la corteza continental. La eficiencia de esta transferencia tiene profundas implicaciones para la naturaleza y la magnitud de las heterogeneidades geoquímicas en el manto profundo y los reservorios corticales superficiales de la Tierra, así como para su estado de oxidación. Sin embargo, las proporciones de volátiles liberados desde el antearco y el trasarco no se conocen con precisión en comparación con los flujos del frente del arco volcánico. En este estudio, utilizamos datos de isótopos de helio y carbono de manantiales profundos a lo largo de dos transectos transversales al arco para demostrar que aproximadamente el 91 % del carbono liberado de la placa y el manto bajo el antearco costarricense se almacena en la corteza mediante la deposición de calcita. Alrededor de un 3 % adicional se incorpora a la biomasa a través de la quimiolitoautotrofía microbiana, proceso mediante el cual los microbios asimilan carbono inorgánico en la biomasa. Estimamos que entre 1,2 × 10⁸ y 1,3 × 10¹⁰ moles de dióxido de carbono por año se liberan de la placa bajo el antearco, y por lo tanto, se transfiere hasta un 19 por ciento menos de carbono al manto profundo de la Tierra de lo que se estimaba anteriormente.