西太平洋板块俯冲体系岩浆过程中深部碳循环研究

Plate subduction leads to significant mass exchange between the Earth’s surface and the interior, and influences the compositional evolution of mantle. Plate subduction is most likely the reason that caused deep cycle of carbon and water, and relavent oceanic magmatism. However, the knowledge on decarbonation/dewatering of subducting plate, the influence of plate decarbonation/dewatering on magmatism, and the geochemical behavior of the deep carbon during oceanic magmatism are lacking. To investigate the recycling of subducted plate materials, this project will study the mechanism of plate decarbonation/dewatering based on the compositions of melt inclusions hosted in volcanic rocks in the western Pacific and the results of experiments on palte decarbonation. We will also study the mechanism of reaction between CO2-rich melt and lithospheric mantle based on the relationship of the chemical index of carbonation and evolution trends of the intraplate volcanic rocks of the western Pacific. Also, based on variation of the chemical index of carbonation, we will study the genetic relationship between the subducted palte and the deep carbon. Conclusively, this project will investigate the contribution of CO2 to magmas and the mechanism of deep carbon cycle during the plate subduction, which will be fundamental for understanding the relationship between plate subduction and the fluid-solid interactions in the deep Earth and achivement of the essential goals of this Major Research Plan.

板块俯冲构成了地表与地球内部多圈层之间的物质交换，也影响着地幔的组成和演化。板块俯冲可能导致了深部碳和水循环，以及相关的岩浆作用。但是，关于大洋俯冲板块的脱碳/水行为及其对岩浆作用的影响机制、以及地球内部碳影响/控制岩浆作用的地球化学行为，相关认识远为不足。为了揭示板块俯冲过程中的多圈层物质循环和交换规律，本项目以西太平洋板块俯冲相关的火山岩为研究对象，以碳/水循环为主线，结合高压模拟实验，研究板块俯冲对深部物质循环和地幔演化的影响。通过分析熔融包裹体组成，结合碳酸盐脱碳/水反应实验，揭示洋壳俯冲过程的地球化学行为；分析西太平洋板内火山岩碳酸盐化指标与岩浆演化的关系，研究富CO2岩浆与岩石圈的反应规律，以及大洋板内火山活动与地幔中俯冲-再循环碳的成因联系。综上，通过本项目研究，揭示板块俯冲有关的岩浆成因和深部碳循环规律，这有助于本重大研究计划“西太平洋板块俯冲与地球深部流固相互作用”关键科学问题的解决。

板块俯冲是构成地表和深部圈层之间碳交换的重要环节，具有重要的资源和环境意义。板块俯冲和岩浆过程中碳的地球化学行为研究，是揭示地球多圈层之间碳循环规律的有效途径。然而，关于地球深部碳的富集机制、赋存部位，以及板块俯冲引起的碳在地球内部各圈层之间的交换规律，还存在很大争议。本项目研究中，开展了西太平洋海盆火山岩岩石学、矿物学、地球化学和年代学研究，结合高温高压实验模拟俯冲碳的行为，揭示了板块俯冲和岛弧岩浆过程的脱水/脱碳规律，以及俯冲碳对岩浆成因的影响机理。取得的主要认识：（1）开展一系列沉积碳酸盐矿物的高温高压稳定性试验、含碳沉积物底辟稳定性研究，揭示了俯冲碳酸盐主要以文石形式存在，且板片脱水可以增强碳酸盐在俯冲带的稳定性，使碳酸盐可稳定俯冲进入地幔，含碳酸盐沉积物底辟有利于脱碳反应发生。（2）本项目对西太平洋卡洛琳海山、Kocebu海山和南海海盆火山岩等开展研究，认识到“俯冲-再循环碳酸盐”广泛存在于西太平洋海盆深部，碳酸岩熔体对海盆板内火山活动的成因起到关键作用，碳酸岩熔体经过岩石圈过程中发生了交代反应和脱碳，并将碳固定在深部岩石圈。（3）针对古太平洋俯冲板块来源开展海陆对比研究，发现了高Mg#橄榄石及其中含碳酸岩熔体包裹体，揭示了俯冲板块可以将碳带入地幔转换带。（4）通过海盆火山岩较重的Zn同位素组成分析，以及Zn同位素与Sr–Nd–Pb–Hf同位素的耦合关系，揭示了沉积碳酸盐可以俯冲进入深部地幔并构成深部碳储库，并通过橄榄石元素分配系数估算了原始岩浆CO2含量，以及为岩浆过程中CO2通量计算奠定基础。本项目结果的意义在于：揭示了西太平洋典型俯冲带脱碳规律和碳的存在形式，认识到板块俯冲可以将海底碳酸盐带入地幔深部，从而构成地球深部碳储库重要来源，计算获得大洋岩浆过程中CO2通量及其对地表影响规模，以上成果和新认识对阐明板块俯冲体系下地表和深部圈层之间碳交换具有重要科学意义。