西太平洋俯冲带水和二氧化碳再循环的实验研究

The western Pacific subduction zone is a typical region with strong ocean-continental interactions. Significant amount of water and carbon dioxide can be transported into the deep mantle through the western Pacific subduction zone, which play key roles in material and energy circulation in the deep mantle, and have close relations with the intraplate volcanoes of eastern China. A number of experimental studies have been conducted on the partial melting phase relations of hydrous basalts, carbonated basalts. However, few reports are available on the partial melting phase relations of hydrous- and carbonated-basalt. In this study, we proposed to conduct partial melting experiments on water- and carbon-bearing basalts, and the interaction between water- and carbon-rich melt and mantle peridotite. The obtained results will be used to constrain the recycling processes of water and carbon in western Pacific subduction zone, and the origin the intraplate volcanoes under eastern China.

西太平洋俯冲带是海陆相互作用十分强烈的区域，经俯冲作用进入地幔深部的水和二氧化碳不仅是联系地球内部跨圈层物质能量交换的关键因素，还与中国东部陆内岩浆活动密切相关，对于完善板块构造理论有重要意义。前人对俯冲带水和二氧化碳再循环的实验研究，侧重于单独研究水或者二氧化碳对玄武质洋壳部分熔融行为的影响，对于水和二氧化碳的综合影响，目前还缺乏系统的实验约束。本研究拟通过高温高压实验，直接模拟俯冲带玄武质洋壳的脱水脱碳行为，以及富水富碳熔体和地幔的反应，结合地球化学分析测试，阐明西太平洋俯冲带水和二氧化碳再循环的动力学过程，及其对中国东部陆内岩浆活动和岩石圈减薄的启示。

水和二氧化碳是蚀变洋壳和岩石圈地幔中常见的挥发性组分，通过俯冲作用进入地幔深部的水和二氧化碳不仅对地幔深部的物理化学性质有重要影响，还与地表-深部跨圈层气体交换密切相关。西太平洋俯冲带作为全球最典型主动大陆边缘之一，不仅是全球海陆相互作用十分强烈的区域，也是探索跨圈层水和二氧化碳循环的良好窗口。本项目的研究内容主要包括如下两个方面：（1）同时含水和二氧化碳的蚀变洋壳的脱水脱碳行为，（2）同时含水和二氧化碳的蚀变岩石圈地幔的脱水脱碳行为。通过开展系统的高温高压实验研究，结合显微测试分析技术，取得如下主要认识：（I）对于蚀变洋壳而言，当二氧化碳含量不变时（2.5 wt%），水能够有效降低体系的固相线，且水含量越高固相线越低；水含量为0.5 wt%时，固相线为~1050-1150 oC；水含量为2.5 wt%时，固相线为~950-1050 oC。（II）对于完全蚀变的岩石圈地幔物质（蛇绿碳酸岩），体系的固相线为~825-850 oC，远低于不含水的碳酸盐化橄榄岩的固相线。（III）蚀变洋壳脱水脱碳形成的流体比较富Ca，贫Mg；蚀变岩石圈地幔脱水脱碳形成的流体比较富Mg，贫Ca。（IV）不含水时，蚀变洋壳和岩石圈地幔脱碳的温度通常高于俯冲带地温曲线，即很难脱碳；当含有一定量的水时，蚀变洋壳和岩石圈地幔可以在冷或暖俯冲带条件下脱碳，即水的加入能够促使俯冲板块脱碳，提高俯冲板块的脱碳效率。