近日，中科院海洋所張國(guó)良課題組與美國(guó)田納西大學(xué)黃士春教授合作，在國(guó)際著名地學(xué)期刊《Geochemistry Geophysics Geosystems》發(fā)表了題為“CO2-Rich Rejuvenated Stage Lavas on Hawaiian Islands”的研究論文。該研究主要通過(guò)夏威夷三個(gè)洋島（圖1）的火山巖化學(xué)組成和橄欖石Ni、Ca、Mn元素分配規(guī)律，揭示了夏威夷復(fù)蘇期原始巖漿相對(duì)造盾期具有高度富集CO2的特征，可能起源于被碳酸巖熔體交代后的地幔柱橄欖巖。
圖 1. 夏威夷洋島/海山鏈構(gòu)造巖性和火山巖采樣分布圖
盡管越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)部可能是重要的碳儲(chǔ)庫(kù)，并存儲(chǔ)了地球上大部分碳；但是，關(guān)于碳在地球內(nèi)部的存儲(chǔ)部位及富碳原因并不清楚、或存在較大爭(zhēng)議。通常認(rèn)為，巖石圈地幔和地幔轉(zhuǎn)換帶是重要的碳儲(chǔ)庫(kù)，然而，關(guān)于深部下地幔是否也存在碳富集及其成因，相關(guān)研究和認(rèn)識(shí)很有限。
夏威夷海山鏈的地幔柱熱點(diǎn)成因在國(guó)際上研究程度較高。無(wú)論地球物理和地球化學(xué)等研究都認(rèn)為夏威夷熱點(diǎn)起源于下地幔底部，這為研究下地幔的碳富集及其成因提供了重要窗口。夏威夷火山按時(shí)間順序可分為四期：造盾前、造盾期、造盾后和復(fù)蘇期；其中，造盾期代表火山活動(dòng)主要時(shí)段，形成巖漿體積占整個(gè)洋島巖漿量95%以上。復(fù)蘇期火山是造盾期完成并經(jīng)歷一定海浪侵蝕后形成，噴發(fā)時(shí)間與前三期有一定間隔。在巖性上，造盾期主要是拉斑玄武巖，氣孔較少；而復(fù)蘇期火山巖主要是貧硅堿性火山巖，含大量氣孔。
本次研究對(duì)夏威夷考艾島、歐湖島、馬尾島三個(gè)洋島進(jìn)行了詳細(xì)勘察采樣，并對(duì)造盾期拉斑玄武巖和復(fù)蘇期堿性火山巖進(jìn)行了詳細(xì)礦物學(xué)和地球化學(xué)研究。結(jié)果顯示，復(fù)蘇期火山巖相比造盾期在全巖上具有異常低SiO2、Ni和高Ca-Mn的特征，甚至部分堿性玄武巖具高場(chǎng)強(qiáng)元素負(fù)異常特征（圖2）。另一方面，這些堿性玄武巖和拉斑玄武巖橄欖石的Ca、Mn和Fe/Mn卻非常相似，且堿性玄武巖橄欖石Ni含量明顯低于拉斑玄武巖橄欖石（圖3）。本研究計(jì)算獲得了Ca、Mn在橄欖石/熔體間分配系數(shù)，并與部分熔融高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比（圖4）。結(jié)果顯示，造盾期符合一個(gè)較“干”的巖漿體系，而復(fù)蘇期則是一個(gè)高度富集CO2（可達(dá)10 wt%）的巖漿體系（圖5）。這種富碳特征與此前發(fā)現(xiàn)夏威夷地幔巖捕擄體含金剛石現(xiàn)象是吻合的。
圖 2. 夏威夷洋島火山巖微量元素配分圖解
圖3. 夏威夷洋島火山巖橄欖石斑晶Ni、Ca、Ni元素組成
圖4. 夏威夷洋島火山巖Ca-Mn元素在橄欖石/熔體間分配系數(shù)圖解。注意：復(fù)蘇期Ca、Mn在橄欖石/熔體間分配系數(shù)明顯低于造盾期
圖5. 夏威夷洋島火山巖原始巖漿CO2含量計(jì)算結(jié)果
根據(jù)橄欖石/尖晶石礦物組合進(jìn)行“Al交換”溫度計(jì)算，結(jié)果顯示復(fù)蘇期原始巖漿溫度與造盾期相似（圖6），說(shuō)明溫度不是導(dǎo)致橄欖石Ni含量在兩期巖漿之間巨大差距的原因，更不可能導(dǎo)致復(fù)蘇期全巖相對(duì)低Ni的特征。據(jù)此研究認(rèn)為，兩期火山巖的橄欖石Ni含量差異主要與源區(qū)礦物學(xué)組成有關(guān)。進(jìn)一步的，復(fù)蘇期火山巖Sr-Nd-Hf同位素組成相對(duì)造盾期在整體明顯虧損，說(shuō)明二者源區(qū)明顯不同。研究認(rèn)為，復(fù)蘇期巖漿源區(qū)主要是同位素較為虧損的橄欖巖，而造盾期巖漿是含有較多輝石巖且同位素相對(duì)富集的地幔（圖7）。本研究還推測(cè)，復(fù)蘇期巖漿富集的CO2主要來(lái)自古代“俯沖-循環(huán)”的“含碳酸鹽巖石圈地幔”。
圖6. 夏威夷洋島火山巖橄欖石/尖晶石結(jié)晶溫度計(jì)算結(jié)果
圖7. 夏威夷洋島復(fù)蘇期和造盾期巖漿成因模式示意圖。注意：復(fù)蘇期火山起源于地幔柱邊部的碳酸鹽化橄欖巖
本次研究通過(guò)夏威夷洋島火山巖礦物學(xué)和地球化學(xué)，揭示了起源于下地幔的巖漿高度富集CO2（達(dá)10 wt%）特征、以及CO2對(duì)復(fù)蘇期火山巖成因具有重要貢獻(xiàn)。
論文第一/通訊作者為張國(guó)良研究員，研究過(guò)程得到Claude Herzberg、Jacqueline Dixon、Daniel Heaton、Eemu Ranta等多位學(xué)者或?qū)徃迦说脑u(píng)論和建議，并得到國(guó)家自然科學(xué)基金、海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助。
文章信息：Zhang Guoliang, Wang Shuai, Huang Shichun, Zhan Mingjun, Yao Junhua, 2022. CO2-Rich Rejuvenated Stage Lavas on Hawaiian Islands. Geochemistry Geophysics Geosystems.
https://doi.org/10.1029/2022GC010525.
