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地质地球所揭示俯冲带超临界流体相关的深部碳循环过程
2018年10月12日 来源: 地质地球所

  深部碳循环是全球碳循环的重要环节。板片俯冲将地表的沉积碳酸盐岩带入到深部地幔,火山活动把深部碳以CO2的形式释放到地表,在这个循环过程中,碳酸盐岩在深部地幔的储存位置是核心问题,它决定了再循环碳的滞留时间。例如,在岛弧地区,俯冲深度大概<120 km,主要是富Ca方解石的溶解,其滞留时间只有5-10 Ma;在中国东部,再循环碳酸盐岩被西太平洋板块携带至地幔过渡带(410-660 km),主要是菱镁矿的熔融,其滞留时间超过60Ma。然而,随着俯冲板片温度和压力的增加,在120-410 km深度,含水流体会逐渐变为“超临界流体”,其性质介于流体和熔体之间。然而,人们并不清楚这种超临界流体对俯冲板片携带的碳酸盐岩有什么影响。


  针对这一科学问题,中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室博士后田恒次与其合作导师杨蔚等,对位于150-400 km俯冲板片之上的云南腾冲玄武岩开展了Sr-Nd-Pb-Mg同位素研究,研究结果表明:这些玄武岩富集大离子亲石元素(如K,Rb和Ba等),亏损高场强元素(如Nb,Ta,Zr和Hf等)以及低的Nb/U和Ce/Pb比值,具有典型岛弧火山岩的地球化学特征;具有轻Mg同位素组成,其δ26Mg为(-0.51~-0.45)‰,与中国东部<110 Ma的玄武岩Mg同位素组成一致,但是显著低于岛弧火山岩的Mg同位素组成;具有低的Ti/Ti*,Hf/Hf*以及高的(Na2O+K2O)/TiO2比值,指示了碳酸盐岩交代的特征;同位素模拟计算表明,混入源区的主要碳酸盐矿物种属是白云石以及少量的方解石。


  值得注意的是,该玄武岩具有异常高的Th/U比值(6.5-8.3),显著高于正常地幔橄榄岩和碳酸盐化橄榄岩部分熔融的产物(通常<4.5),而是俯冲板片产生的超临界流体的典型特征。实验岩石学研究表明,当P>6 GPa时,温度>800℃,俯冲板片能够产生超临界流体并对一些元素具有更高的溶解度(如Th,U,Yb和Lu等),产生这种超临界流体的温压条件与地球物理研究给出的腾冲火山岩浆起源位置相一致。


  该研究揭示了一个新的深部碳循环过程:当俯冲板片俯冲至120-400 km深度处时,其释放的超临界流体能够溶解以白云石为主的碳酸盐,并交代地幔,进而导致地幔熔融。以腾冲火山为例,这一碳循环周期大约为48-53 Ma,长于岛弧地幔楔深度碳循环的周期(5-10 Ma),但短于中国东部地幔过渡带碳循环的周期(>60 Ma)。


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