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陈振武,Jan. 11, 2022
板块俯冲可将地表的碳迁移至深部地幔，岩浆喷发去气却可以把深部的碳带回地表，碳在地球深部与地表之间的这种循环影响着全球的气候变化，也影响了岩浆的形成过程。多种证据表明碳在板内碱性玄武岩的成因中扮演了重要角色。一是在空间位置上，碱性玄武岩往往与碳酸岩伴生存在（Weidendorfer et al., 2016）；二是碱性玄武岩携带的地幔捕虏体中存在碳酸盐包裹体（Andersen and Neumann, 2001）；三是橄榄岩捕虏体被碳酸盐化的熔体/流体交代形成金云母等矿物（Neumann et al., 2002）。因此，碱性玄武岩是研究碳对岩浆成因影响的理想样品。
太平洋上的卡洛琳海山链主要由丘克岛、波纳佩岛、科斯雷三座岛屿组成，其中波纳佩岛面积最大，且喷发了很多碱性火山岩。张国良老师（Zhang et al., 2020）对这些火山岩进行了全岩主微量元素组成、放射成因Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成、橄榄石斑晶含量分析、及岩石薄片观察，探究了碳对这些火山岩成因的影响。
这些火山岩根据成分可划分为2个阶段，其中阶段1样品富集MgO、CaO，贫SiO2，富集稀土元素（REE），亏损高场强元素（HFSE），成分类似于高温高压实验获得的碳酸盐化硅酸盐熔体（Foley et al., 2009; Mallik and Dasgupta, 2013）。碳酸盐化的榴辉岩、辉石岩、橄榄岩都可能是这种碳酸盐化熔体的源岩，但碳酸盐化的榴辉岩及辉石岩无法产生MgO含量高达16 wt.%的碳酸盐化熔体，碳酸盐化橄榄岩产生的熔体亏损TiO2和K2O，也无法解释阶段1样品的化学组成。含碳酸盐的洋壳俯冲进入地幔后形成碳酸盐化榴辉岩或辉石岩，并可进一步与周围的地幔橄榄岩反应形成混合的碳酸盐洋壳+橄榄岩源区，这种岩石通过部分熔融可以产生富集MgO-TiO2-K2O的熔体，可能是阶段1碳酸盐化熔体的来源。
岩石薄片观察及主微量元素都表明阶段1碳酸盐化熔体经历了显著的钙钛矿、磷灰石分离结晶，其P2O5、Nb、La等元素含量与岩浆演化指标（如MgO）具有非常好的正相关，指示了结晶矿物富集这些元素，钙钛矿、磷灰石的电子探针分析数据显示的确如此。除了分离结晶，阶段1碳酸盐化熔体的放射成因Sr同位素随岩浆演化显著亏损，指示岩浆形成过程中存在亏损组分的参与。这种亏损组分类似于东太平洋洋隆亏损地幔，由于波纳佩火山岩表现出明显的分离结晶趋势，因此亏损组分的加入不太可能发生在软流圈的熔融区。相反，Si不饱和的碳酸盐化熔体在上升过程中接触岩石圈地幔，可与岩石圈地幔中的斜方辉石（Opx）反应，沉淀出单斜辉石（Cpx）与橄榄石（Ol），同时释放SiO2到熔体，提高熔体的Si含量。这也与镜下观察到碳酸盐化熔体-橄榄岩捕虏体反应带的存在所吻合。
阶段2样品的成分为典型的大洋碱性玄武岩，且具有非常一致的放射成因同位素，说明碳酸盐化熔体与岩石圈地幔反应达到了平衡。结合镜下观察到的橄榄石、单斜辉石、磁铁矿、钛铁矿、斜长石斑晶，可推断其在岩石圈内以分离结晶为主。因此，上覆岩石圈地幔能促进碳酸盐化熔体的脱碳和转变为碱性玄武岩，这也解释了为什么大洋板内碱性玄武岩的广泛存在，却罕见碳酸盐化熔体。
参考文献：
Andersen, T., Neumann, E.R., 2001. Fluid inclusions in mantle xenoliths. Lithos 55, 301–320.
Foley, S.F., Yaxley, G.M., Rosenthal, A., Buhre, S., Kiseeva, E.S., Rapp, R.P., Jacob, D.E., 2009. The composition of near-solidus melts of peridotite in the presence of CO2 and H2O between 40 and 60 kbar. Lithos 112, 274–283.
Mallik, A., Dasgupta, R., 2013. Reactive Infiltration of MORB-Eclogite-Derived Carbonated Silicate Melt into Fertile Peridotite at 3GPa and Genesis of Alkalic Magmas. J. Petrol. 54, 2267–2300.
Neumann, E.R., Wulff-Pedersen, E., Pearson, N.J., Spencer, E.A., 2002. Mantle xenoliths from Tenerife (Canary Islands): Evidence for reactions between mantle peridotites and silicic carbonatite melts inducing Ca metasomatism. J. Petrol. 43, 825–857.
Weidendorfer, D., Schmidt, M.W., Mattsson, H.B., 2016. Fractional crystallization of Si-undersaturated alkaline magmas leading to unmixing of carbonatites on Brava Island (Cape Verde) and a general model of carbonatite genesis in alkaline magma suites. Contrib. to Mineral. Petrol. 171, 1–29.
Zhang, G.L., Wang, S., Zhang, J., Zhan, M.J., Zhao, Z.H., 2020. Evidence for the essential role of CO2 in the volcanism of the waning Caroline mantle plume. Geochim. Cosmochim. Acta 290, 391–407.
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