2020-10-14 海洋研究所
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近日，中科院海洋所研究員張國良研究團隊在Geochimica et Cosmochimica Acta上，在線發表關於深部碳循環與西太平洋海山鏈火山巖成因關係的研究論文Evidence for the essential role of CO2 in the volcanism of the waning Caroline mantle plume，報導來自「俯衝-再循環」的碳酸巖熔體在穿過太平洋巖石圈過程中經歷的二階段演化規律，並估算地幔來源的原始碳酸鹽質熔體二氧化碳（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。其中，大洋板塊攜帶地表碳（沉積、或生物碳酸鹽）俯衝進入地幔，可能是導致地幔中碳富集的重要原因。已有高溫高壓實驗結果顯示，含CO2的地幔巖（橄欖巖或輝石/榴輝巖）低程度部分熔融可產生富CO2的低矽富鹼玄武巖。研究團隊曾在較薄的中國南海巖石圈上發現碳酸鹽質熔體及其向鹼性火山巖演化的現象。實際上，鹼性火山巖在全球大洋中廣泛分布，是太平洋多數海山的主要巖石組成，但是海山火山巖與深部碳循環之間的成因聯繫尚不清楚。同時，對於形成於大洋巖石圈之上的海山，碳酸鹽質熔體如何穿過大洋巖石圈及在其中的演化規律仍需探索。
研究團隊對代表Caroline海山鏈晚期火山活動的波納佩洋島鹼性火山巖開展巖石學、礦物學和地球化學研究，發現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），且全巖化學組成表現為兩個階段的演化過程。在第一階段演化中主要表現為碳酸巖熔體交代特徵的高稀土元素和虧損高場強元素，以及較低的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含量逐漸升高，Sr-Nd等同位素組成逐漸虧損，並在此過程中發生巖漿脫碳作用。這些碳酸巖熔體在演化過程中結晶出鈣鈦礦（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.%）。研究人員根據高精度橄欖石地球化學推斷，這些火山巖的地幔源區是碳酸鹽化的輝石巖模型，符合「俯衝-再循環」洋殼熔融來源。根據原始巖漿高的CaO和橄欖石低的CaO計算，獲得Ca在橄欖石中有異常低的分配係數，與CO2降低Ca分配係數的結果一致，據此計算原始巖漿的CO2約為10-15 wt%。在第一階段演化中，熔體失去大量稀土元素和高場強元素，而大洋巖石圈地幔因獲得這些元素變得富集。當這些碳酸巖熔體穿過較厚的大洋巖石圈時，實現脫碳並與巖石圈反應達到平衡，熔體繼續發生分離結晶和演化，而與巖石圈不再有明顯的物質交換。
該研究對於認識地球深部的碳富集與大洋板塊俯衝之間的關係、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律，以及典型大洋鹼性火山巖的成因具有科學意義，研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項等的資助。
論文連結
Caroline海山鏈和Pohnpei洋島地理位置
Caroline火山巖化學組成體現為二階段演化模型，第一階段（高MgO）為在巖石圈內的反應式演化，第二階段（低MgO）為在巖石圈內的非反應式演化
Caroline火山巖的礦物化學組成（造巖礦物和斑晶礦物具有富集稀土元素和高場強元素Nb特徵）
Ca在橄欖石中異常低的分配係數顯示出熔體中CO2的影響
碳酸鹽化熔體在厚的太平洋巖石圈內的二階段演化模式
近日，中科院海洋所研究員張國良研究團隊在Geochimica et Cosmochimica Acta上，在線發表關於深部碳循環與西太平洋海山鏈火山巖成因關係的研究論文Evidence for the essential role of CO2 in the volcanism of the waning Caroline mantle plume，報導來自「俯衝-再循環」的碳酸巖熔體在穿過太平洋巖石圈過程中經歷的二階段演化規律，並估算地幔來源的原始碳酸鹽質熔體二氧化碳（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。其中，大洋板塊攜帶地表碳（沉積、或生物碳酸鹽）俯衝進入地幔，可能是導致地幔中碳富集的重要原因。已有高溫高壓實驗結果顯示，含CO2的地幔巖（橄欖巖或輝石/榴輝巖）低程度部分熔融可產生富CO2的低矽富鹼玄武巖。研究團隊曾在較薄的中國南海巖石圈上發現碳酸鹽質熔體及其向鹼性火山巖演化的現象。實際上，鹼性火山巖在全球大洋中廣泛分布，是太平洋多數海山的主要巖石組成，但是海山火山巖與深部碳循環之間的成因聯繫尚不清楚。同時，對於形成於大洋巖石圈之上的海山，碳酸鹽質熔體如何穿過大洋巖石圈及在其中的演化規律仍需探索。
研究團隊對代表Caroline海山鏈晚期火山活動的波納佩洋島鹼性火山巖開展巖石學、礦物學和地球化學研究，發現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），且全巖化學組成表現為兩個階段的演化過程。在第一階段演化中主要表現為碳酸巖熔體交代特徵的高稀土元素和虧損高場強元素，以及較低的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含量逐漸升高，Sr-Nd等同位素組成逐漸虧損，並在此過程中發生巖漿脫碳作用。這些碳酸巖熔體在演化過程中結晶出鈣鈦礦（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.%）。研究人員根據高精度橄欖石地球化學推斷，這些火山巖的地幔源區是碳酸鹽化的輝石巖模型，符合「俯衝-再循環」洋殼熔融來源。根據原始巖漿高的CaO和橄欖石低的CaO計算，獲得Ca在橄欖石中有異常低的分配係數，與CO2降低Ca分配係數的結果一致，據此計算原始巖漿的CO2約為10-15 wt%。在第一階段演化中，熔體失去大量稀土元素和高場強元素，而大洋巖石圈地幔因獲得這些元素變得富集。當這些碳酸巖熔體穿過較厚的大洋巖石圈時，實現脫碳並與巖石圈反應達到平衡，熔體繼續發生分離結晶和演化，而與巖石圈不再有明顯的物質交換。
該研究對於認識地球深部的碳富集與大洋板塊俯衝之間的關係、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律，以及典型大洋鹼性火山巖的成因具有科學意義，研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項等的資助。
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Caroline海山鏈和Pohnpei洋島地理位置
Caroline火山巖化學組成體現為二階段演化模型，第一階段（高MgO）為在巖石圈內的反應式演化，第二階段（低MgO）為在巖石圈內的非反應式演化
Caroline火山巖的礦物化學組成（造巖礦物和斑晶礦物具有富集稀土元素和高場強元素Nb特徵）
Ca在橄欖石中異常低的分配係數顯示出熔體中CO2的影響
碳酸鹽化熔體在厚的太平洋巖石圈內的二階段演化模式