國際地學刊物 Geochimica et Cosmochimica Acta (Nature Index) 近日在線刊發了中科院海洋所張國良研究員團隊關于深部碳循環與西太平洋海山鏈火山巖成因關系的論文:“Evidence for the essential role of CO2 in the volcanism of the waning Caroline mantle plume”，報導了來自“俯沖-再循環”來源的碳酸巖熔體在穿過巨厚太平洋巖石圈過程中經歷的二階段演化規律，并估算了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，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，可能是導致地幔中碳富集的重要原因。以往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）低程度部分熔融可以產生富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現碳酸鹽質熔體及其向堿性火山巖演化的現象。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之間的成因聯系。尤其是，這些形成于較厚的大洋巖石圈之上的海山，關于碳酸鹽質熔體如何穿過厚的大洋巖石圈及在其中的演化規律還很不清楚。 

　　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的巖石學、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，在第一階段演化過程中主要表現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，同時演化過程中發生了巖漿脫碳作用。這些碳酸巖熔體在演化過程中結晶出大量鈣鈦礦（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特征）

　　另外，該項研究還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，這符合一個“俯沖-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在橄欖石中具有異常低的分配系數，這與CO2降低Ca分配系數的結果是一致的，據此計算原始巖漿的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達到平衡，熔體會繼續發生分離結晶和演化，但不再與巖石圈有明顯的物質交換。 

Ca在橄欖石中異常低的分配系數顯示出熔體中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

　　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律以及典型大洋堿性火山巖的成因具有重要科學意義，研究得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目資助。 

　　原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703720305792