地幔转换带滞留板块（碳酸盐化玄武质洋壳）部分熔融实验研究

Carbonated basaltic crust is an important part of subducting slabs, which plays a key role in global earth carbon cycle and mantle geodynamics. Under Eastern China, the oceanic plate has been subducted into the deep mantle, which bring significant effects on thinning of cold lithospheric mantle root and origin of intraplate volcanoes. A number of experimental studies have been conducted on the phase relations of carbonated basalt under relatively low pressure conditions (<~10 GPa); however, few reports are available on the partial melting of carbonated basalt under mantle transition zone conditions. In this study, we proposed to conduct partial melting experiments on carbonated basalt in the mantle transition zone conditions, and the interaction between the resulted C-rich melt and mantle peridotite. The obtained results will be used to constrain the deep carbon cycle under eastern China and other related mantle geodynamic issues, i.e., thinning of continental lithospheric mantle root under North China Craton and origin of intraplate volcanoes under northeastern China.

碳酸盐化玄武质洋壳是俯冲板块的重要组成部分。通过俯冲带进入地幔深部的碳酸盐化玄武质洋壳不仅是全球碳循环的重要环节，而且与一系列地幔深部动力学过程密切相关。在中国东部，大洋板块向西俯冲并滞留在地幔转换带中。随着时间延长和温度升高，滞留板块中的碳酸盐化玄武岩发生部分熔融，这对中国东部板内岩浆活动和岩石圈减薄等有很大影响。前人对碳酸盐化玄武岩体系的实验研究主要局限在较低压力下（P<~10 GPa），对于滞留板块这一关键课题，目前还缺乏实验约束。本研究拟通过高温高压实验，直接模拟地幔转换带滞留碳酸盐化玄武质洋壳的部分熔融过程，以及熔体和地幔的相互作用，结合地球化学测试分析，阐明中国东部与滞留板块（洋壳）部分熔融有关的深部动力学过程和碳循环问题。

二氧化碳是俯冲带广泛分布的挥发组分，大量二氧化碳能够随俯冲蚀变洋壳一起进入地幔深部，并对地幔的物理化学性质和动力学过程产生重要影响。本项目的研究内容主要包括如下三个方面：（1）地幔过渡带滞留洋壳（碳酸盐化玄武岩）的固相线特征；（2）碳酸盐化玄武岩部分熔融形成熔体的化学成分和密度特征；（3）富碳熔体与地幔橄榄岩相互作用的实验研究。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，取得了如下主要认识：（I）在地幔转换带顶部（~400–460 km），碳酸盐化玄武岩的固相线温度约为1350 oC，随着深度增加（~>470 km），碳酸盐化玄武岩的固相线温度降低至~1250 oC。（II）俯冲洋壳相变为石榴石岩后，Na元素在石榴石和碳酸盐矿物之间重新分配，形成熔点较低的富Na碳酸盐矿物，导致碳酸盐化玄武岩的固相线降低约100 oC。（III）在地幔过渡带条件下，碳酸盐化玄武岩部分熔融形成的熔体具有富Na和K的特征，密度比周围地幔低，为熔体上升提供了浮力作用。（IV）低密度富碳熔体在上升过程中与周围地幔橄榄岩反应形成金刚石，将一部分碳固定在地幔中，同时地幔由二辉橄榄岩向单辉橄榄岩转变。研究结果不仅有利于解决当前对碳酸盐化玄武岩固相线认识上的争议，还给出了滞留洋壳脱碳的条件，为解释东亚大地幔楔构造的成因和深部地幔的矿物组成提供了实验依据。