國際地學(xué)刊物 Geochimica et Cosmochimica Acta (Nature Index) 近日在線刊發(fā)了中科院海洋所張國良研究員團隊關(guān)于深部碳循環(huán)與西太平洋海山鏈火山巖成因關(guān)系的論文:“Evidence for the essential role of CO2 in the volcanism of the waning Caroline mantle plume”，報導(dǎo)了來自“俯沖-再循環(huán)”來源的碳酸巖熔體在穿過巨厚太平洋巖石圈過程中經(jīng)歷的二階段演化規(guī)律，并估算了地幔來源的原始碳酸鹽質(zhì)熔體二氧化碳（CO2）含量。
越來越多的觀測和模擬實驗研究認為，地球深部是重要的碳儲庫，存儲了地球上大部分的碳。其中，大洋板塊攜帶地表碳（沉積、或生物碳酸鹽）俯沖進入地幔，可能是導(dǎo)致地幔中碳富集的重要原因。以往高溫高壓實驗結(jié)果顯示，含CO2的地幔巖（橄欖巖或輝石/榴輝巖）低程度部分熔融可以產(chǎn)生富CO2的低硅富堿玄武巖。張國良團隊曾在極薄的中國南海巖石圈上發(fā)現(xiàn)碳酸鹽質(zhì)熔體及其向堿性火山巖演化的現(xiàn)象。實際上，堿性火山巖在全球大洋中廣泛分布，也是太平洋大多數(shù)海山的主要巖石組成。一直以來，并不清楚這種海山火山巖與深部碳循環(huán)之間的成因聯(lián)系。尤其是，這些形成于較厚的大洋巖石圈之上的海山，關(guān)于碳酸鹽質(zhì)熔體如何穿過厚的大洋巖石圈及在其中的演化規(guī)律還很不清楚。
該研究團隊對代表Caroline海山鏈晚期火山活動的波納佩洋島堿性火山巖進行了系統(tǒng)的巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)這些火山巖含有被碳酸巖熔體廣泛交代的地幔橄欖巖捕擄體（斜方輝石被交代為富鈣單斜輝石），且全巖化學(xué)組成表現(xiàn)為兩個階段的演化過程，在第一階段演化過程中主要表現(xiàn)為碳酸巖熔體交代特征的高稀土元素和虧損高場強元素組成，以及很低的SiO2含量（~34 wt%），在演化過程中逐漸失去大量稀土元素和高場強元素，SiO2含量明顯逐漸升高，Sr-Nd等同位素組成也逐漸變得虧損，同時演化過程中發(fā)生了巖漿脫碳作用。這些碳酸巖熔體在演化過程中結(jié)晶出大量鈣鈦礦（Nb2O5 達1.8 wt.%，La2O3達0.9 wt.%）、磷灰石（La2O3達0.5 wt%）和鈦鐵礦（Nb2O5達1.4 wt.%）。
Caroline海山鏈和Pohnpei洋島地理位置
Caroline火山巖化學(xué)組成體現(xiàn)為二階段演化模型，第一階段（高MgO）為在巖石圈內(nèi)的反應(yīng)式演化，第二階段（低MgO）為在巖石圈內(nèi)的非反應(yīng)式演化
Caroline火山巖的礦物化學(xué)組成（造巖礦物和斑晶礦物具有富集稀土元素和高場強元素Nb特征）
另外，該項研究還根據(jù)高精度橄欖石地球化學(xué)推斷，這些火山巖的地幔源區(qū)是碳酸鹽化的輝石巖模型，這符合一個“俯沖-再循環(huán)”洋殼熔融來源。根據(jù)原始巖漿高的CaO和橄欖石低的CaO計算，獲得Ca在橄欖石中具有異常低的分配系數(shù)，這與CO2降低Ca分配系數(shù)的結(jié)果是一致的，據(jù)此計算原始巖漿的CO2大約為10-15 wt%。在第一階段演化過程中，熔體大量失去稀土元素和高場強元素，同時大洋巖石圈地幔也獲得了這些元素而變得富集。當(dāng)這些碳酸巖熔體穿過厚的大洋巖石圈時，最終脫碳并與巖石圈反應(yīng)達到平衡，熔體會繼續(xù)發(fā)生分離結(jié)晶和演化，但不再與巖石圈有明顯的物質(zhì)交換。
Ca在橄欖石中異常低的分配系數(shù)顯示出熔體中CO2的影響
碳酸鹽化熔體在厚的太平洋巖石圈內(nèi)的二階段演化模式
該研究對于認識地球深部的碳富集與大洋板塊俯沖之間的關(guān)系、地球深部來源的碳酸鹽化熔體在厚層大洋巖石圈中的演化規(guī)律以及典型大洋堿性火山巖的成因具有重要科學(xué)意義，研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目資助。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703720305792
