碳酸鹽化地幔的部分熔融或源自地幔的硅酸鹽熔體的不混溶作用所產(chǎn)生的碳酸鹽熔體為深部碳循環(huán)的研究提供了更為直觀的視角。前人的研究將一些碳酸鹽熔體中的殼源地球化學(xué)信號歸因于加入深部地幔的俯沖物質(zhì)。然而，正如古詩中對石灰?guī)r所描述的那樣：“千錘萬鑿出深山，烈火焚燒若等閑”，碳酸鹽巖石的熔點非常高。高溫高壓實驗表明，在俯沖板片頂部碳酸鹽物質(zhì)的熔融條件也高于板片的溫壓梯度，使得它們可以通過島弧下的巖漿區(qū)域而被運送到地幔深處如過渡帶的位置，在那里沉積碳酸鹽的信號會被地幔物質(zhì)所稀釋，難以形成保留了顯著沉積碳酸鹽化學(xué)特征的碳酸鹽熔體。因此，這些具有顯著殼源信號的碳酸鹽熔體的起源和形成機制需要進(jìn)行更為深入的研究。
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點實驗室地幔地球化學(xué)學(xué)科組汪程遠(yuǎn)博士、王煜研究員、徐義剛院士聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）劉勇勝教授、澳大利亞麥考瑞大學(xué)Stephen Foley教授，通過對遠(yuǎn)離俯沖帶的燕山造山帶內(nèi)的新生代碳酸鹽熔體侵入巖脈（圖1）的分析討論，為以上問題提出了全新約束。
圖1. （a, b）華北及陽原地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元及樣品分布圖。（c, d）碳酸鹽熔體侵入巖脈BSE巖相圖（Ap=磷灰石；Pl=斜長石；Kfs=鉀長石；Qtz=石英；Pyx=輝石）
研究發(fā)現(xiàn)這些巖脈的地球化學(xué)特征與沉積灰?guī)r高度相似，其中可以看到大量來自地殼基底的捕擄晶。結(jié)合這些碳酸鹽侵入巖脈的Sr-Nd-C-O同位素特征（圖2），研究人員認(rèn)為它們和燕山造山帶的地殼基底物質(zhì)發(fā)生了同化混染，并伴隨大量的CO 2脫氣過程。
圖2. （a, b）陽原碳酸鹽熔體侵入巖脈稀土及微量元素分布圖。（c, d）Sr-Nd-C-O同位素特征
這些巖脈中的鋯石的U-Pb年齡分布符合燕山造山帶巖石的特征（圖3）。這表明，它們不是被捕獲的華北碳酸鹽地層（這些地層形成與中生代之前，其中不會有~120Ma年齡峰的鋯石）。與漢諾壩碳酸巖中的鋯石不同，它們也不具有古亞洲洋特征的年齡峰，因此也難以用俯沖碳酸鹽沉積物底劈熔融的模型來解釋。結(jié)合燕山造山帶構(gòu)造特征分析，該研究認(rèn)為它們的源巖應(yīng)該是燕山造山帶中逆沖推覆的沉積灰?guī)r，由于新生代軟流圈上涌造成玄武巖熔體底侵加熱燕山造山帶基底，引發(fā)了沉積灰?guī)r的深熔作用。這也符合它們的微量元素及同位素特征。
圖3. 陽原碳酸鹽熔體侵入巖脈中的鋯石的U-Pb年齡分布與漢諾壩碳酸巖、華北北緣、古亞洲洋地體中的鋯石年齡分布的比較
通過對全球顯生宙碳酸質(zhì)巖漿的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計，結(jié)果表明該模型可以適用于很多造山帶中的碳酸巖熔體，這些熔體的Sr-Nd同位素（圖4）比板內(nèi)碳酸巖熔體更加演化，C-O同位素（圖4）也比板內(nèi)碳酸巖熔體重，說明造山帶中的碳酸巖熔體大多來自沉積物熔融，且經(jīng)歷了和造山帶基底的同化混染及強烈的CO 2脫氣過程。這些熔體的微量元素特征（圖4）表明其起源深度較淺，地幔巖石對其化學(xué)特征的貢獻(xiàn)較低，不支持俯沖到地幔深部再循環(huán)的過程。
圖4. （a, b）全球顯生宙碳酸質(zhì)巖漿Sr-Nd-C-O同位素分布圖。（c, d）(Dy/Yb)N和δEu分布及MnO和Ni含量分布圖
對這些造山帶碳酸鹽熔體的時空分布統(tǒng)計（圖5）支持它們與大陸地殼的碰撞有關(guān)，而不是與大洋板片的俯沖有關(guān)：它們往往形成于造山帶后期拉張階段而非俯沖階段，且現(xiàn)代俯沖帶內(nèi)也少有碳酸鹽熔體記錄。
圖5. （a）基于侏羅紀(jì)古大陸重建的顯生宙造山帶碳酸鹽熔體的空間分布。（b）顯生宙造山帶碳酸鹽熔體的時間分布。（c）板內(nèi)及造山帶碳酸鹽熔體起源模式圖
事實上，由于CCD補償深度的存在，洋殼中的碳酸鹽沉積物較少，而大陸板塊邊緣形成了大量的碳酸鹽沉積物。我們的研究表明，這些大陸地殼邊緣形成的碳酸鹽沉積物可以是造山帶碳酸鹽熔體的重要來源，它們可以在造山過程中逆沖推覆到地殼深部并在后碰撞階段發(fā)生熔融，該過程伴隨大量的CO 2釋放并可能對大氣碳儲庫含量產(chǎn)生影響。該研究對造山帶碳酸巖中的稀土成礦過程同樣具有啟示意義。
該論文已發(fā)表在國際地球科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Earth and Planetary Science Letters》上，該研究主要受到國家自然科學(xué)基金的資助。
論文信息：Wang, C.（汪程遠(yuǎn)）, Foley, S. F., Liu, Y.（劉勇勝）, Wang, Y.（王煜）, & Xu, Y. G.（徐義剛） (2023). Origin of carbonate melts in orogenic belts by anatexis of downthrust carbonate sediments. Earth and Planetary Science Letters, 619, 118303.
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