国际地学刊物 Geochimica et Cosmochimica Acta (Nature Index) 近日在线刊发了中国科学院海洋研究所张国良研究员团队关于深部碳循环与西太平洋海山链火山岩成因关系的论文:“Evidence for the essential role of CO2 in the volcanism of the waning Caroline mantle plume”，报导了来自“俯冲-再循环”来源的碳酸岩熔体在穿过巨厚太平洋岩石圈过程中经历的二阶段演化规律，并估算了地幔来源的原始碳酸盐质熔体二氧化碳（CO2）含量。
越来越多的观测和模拟实验研究认为，地球深部是重要的碳储库，存储了地球上大部分的碳。其中，大洋板块携带地表碳（沉积、或生物碳酸盐）俯冲进入地幔，可能是导致地幔中碳富集的重要原因。以往高温高压实验结果显示，含CO2的地幔岩（橄榄岩或辉石/榴辉岩）低程度部分熔融可以产生富CO2的低硅富碱玄武岩。张国良团队曾在极薄的中国南海岩石圈上发现碳酸盐质熔体及其向碱性火山岩演化的现象。实际上，碱性火山岩在全球大洋中广泛分布，也是太平洋大多数海山的主要岩石组成。一直以来，并不清楚这种海山火山岩与深部碳循环之间的成因联系。尤其是，这些形成于较厚的大洋岩石圈之上的海山，关于碳酸盐质熔体如何穿过厚的大洋岩石圈及在其中的演化规律还很不清楚。
该研究团队对代表Caroline海山链晚期火山活动的波纳佩洋岛碱性火山岩进行了系统的岩石学、矿物学和地球化学研究，发现这些火山岩含有被碳酸岩熔体广泛交代的地幔橄榄岩捕掳体（斜方辉石被交代为富钙单斜辉石），且全岩化学组成表现为两个阶段的演化过程，在第一阶段演化过程中主要表现为碳酸岩熔体交代特征的高稀土元素和亏损高场强元素组成，以及很低的SiO2含量（~34 wt%），在演化过程中逐渐失去大量稀土元素和高场强元素，SiO2含量明显逐渐升高，Sr-Nd等同位素组成也逐渐变得亏损，同时演化过程中发生了岩浆脱碳作用。这些碳酸岩熔体在演化过程中结晶出大量钙钛矿（Nb2O5 达1.8 wt.%，La2O3达0.9 wt.%）、磷灰石（La2O3达0.5 wt%）和钛铁矿（Nb2O5达1.4 wt.%）。
另外，该项研究还根据高精度橄榄石地球化学推断，这些火山岩的地幔源区是碳酸盐化的辉石岩模型，这符合一个“俯冲-再循环”洋壳熔融来源。根据原始岩浆高的CaO和橄榄石低的CaO计算，获得Ca在橄榄石中具有异常低的分配系数，这与CO2降低Ca分配系数的结果是一致的，据此计算原始岩浆的CO2大约为10-15 wt%。在第一阶段演化过程中，熔体大量失去稀土元素和高场强元素，同时大洋岩石圈地幔也获得了这些元素而变得富集。当这些碳酸岩熔体穿过厚的大洋岩石圈时，最终脱碳并与岩石圈反应达到平衡，熔体会继续发生分离结晶和演化，但不再与岩石圈有明显的物质交换。
该研究对于认识地球深部的碳富集与大洋板块俯冲之间的关系、地球深部来源的碳酸盐化熔体在厚层大洋岩石圈中的演化规律以及典型大洋碱性火山岩的成因具有重要科学意义，研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目资助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703720305792
