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1、 8 1 背 地 质 论 评 G E O L O G I C A L R E V I E W V o 1 5 8 N o 4 J u ly 2 0 1 2 火成碳酸岩 的实验岩石学研 究及对地球深部 碳循环 的意义 宋 文 磊 许 成 刘 琼 王 林 均 2 吴 敏 2 曾 亮 1 北京大学地球与空间科学学院 北京 1 0 0 8 7 1 2 中国科学院地球化学研究所地球深部物质与流体作用地球化学研究室 贵阳 5 5 0 0 0 2 3 中 国科学 院研 究牛 院 j 匕 京 1 0 0 0 4 9 内容提要 火成碳酸岩是地表出露较少的幔源岩石之一 实验岩石学研究表明碳酸盐化的橄榄岩和循环的地
2、 壳物质 如碳酸盐化榴辉岩或泥质岩 的低程度 7 5 k m处 的低程度部 分熔融 如 Wy l l i e e t a 1 1 9 7 5 在所 有火成 岩中具 有最高的不相容元 素如 R b S r U T h B a N b R E E S r 和 N d的平 均含量分 别为 7 0 0 0 g g和 2 5 0 1 g g 含量 可以缓 冲地壳混 染 是研究地幔的 探针 岩石 B e l l 1 9 9 8 碳酸岩 在大陆 地壳 中普 遍存 在 从 太 古 宙 格 陵 兰西 部 T u p e r t a l i k碳酸岩的年龄约为 3 0 G a 是 目前最老的 碳酸岩 B i z
3、z a r r o e t a 1 2 0 0 2 到 现今 坦 桑尼 亚 注 本文为 国家 自然科学基金资助项 目 编号 4 0 9 7 3 0 4 0 4 1 1 7 3 0 3 3 的成果 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 0 2 改回 日期 2 0 1 2 0 4 一 1 责任编辑 章雨旭 作着简介 宋文磊 男 1 9 8 4年生 博 士研究生 矿物 岩石 矿床 学专业 E ma i l w l s o n g 9 9 1 6 3 C O B 通讯 作者 许 成 研究 员 1 9 7 6年 生 主要从事岩石地球 化学研究 E m a il x u c h e n g 1 9 9 9
4、h o t ma il c o n 7 2 8 地质论评 键作用 以期人们能够更加深入的了解碳酸岩的成 岩特点 并加强国内碳酸岩的研究 1 碳酸岩的成 因 关于碳酸岩岩浆成因的大多数信息都是从实验 岩石学中获取 的 目前 碳酸岩的成因观点 主要有 三种 直接来源于地幔源 区的低程度部分熔融作用 Wy l l i e e t a 1 1 9 7 5 Wa l l a c e e t a 1 1 9 8 8 D a l t o n e t a 1 1 9 9 8 a 富 C O 的碱性硅 酸岩岩浆液态不 昆溶 K o s t e r v a n G r o o s 1 9 7 5 F r e e
5、s t o n e e t a 1 1 9 8 0 K j a r s g a a r d e t a 1 1 9 8 8 1 9 8 9 B r o o k e r e t a 1 2 0 1 1 或分离结晶的产物 Wa t k i n s o n e t a 1 1 9 7 1 L e e e t a 1 9 9 4 a 1 9 9 8 地球化学证据表明碳酸岩岩浆可 以形成于地幔 物质的部分熔融 由于它们高度富集不相容元素 因 而被认为其形成于极低程度 通常小于 1 的部 分熔融 N e l s o n e t a 1 1 9 8 8 早期 的研究用实验 测定地幔物质初熔的相平衡关系在技术
6、上是很困难 的 由于很少量熔体的存在 很难维持化学平衡 碳 酸岩熔体具有高度 的活性 所得到的熔体经 常都是 淬火的晶体而不是玻璃 G e n g e e t a 1 1 9 9 5 同时 熔体并不聚积而是形成非常小的碎片遍布于整个样 品中 导致对部分熔 融产生的熔体很难进行定量 的 成分分析 近些年来 一些新的实验方法和技术被 用于确定少量部分熔融熔体 7 0 k m处 由含碳酸盐 矿物 的橄榄岩部 分熔融产 生 随后一些实验也陆续验证 了 c Ms c 0 体系的 部分熔融的确能产生可 以结 晶成碳酸盐 的液相组 成 但这些研究缺乏 N a K A 1 P F e等形成碳酸岩 中硅酸盐矿物
7、 云母 辉石 角闪石 磷酸盐和氧化 物矿物所必需的元素 Wa l l a c e 等 1 9 8 8 在 1 6 3 2 G P a的压力下发现含 0 3 的 H O和 0 5 2 5 C O 的角 闪石橄榄岩 二辉橄榄岩 通过部分 熔融产生的液体含 3 S i O 2 A 1 2 O 5 N a 2 O 0 4 K 0 4 F e O和 3 5 P 2 0 这些组分使 上 述非碳酸盐矿物的结晶成为可能 D a l t o n等 1 9 9 8 a 在 复式 压砧 装 置 中模 拟 了 C a 0 一Mg O A l O 一s i O 一C 0 C M A S C 0 体系 中碳酸盐化二辉橄榄
8、岩在 3 7 G P a压力下的熔化 关系 实验产物包括橄榄石 斜方辉石 石榴子石 碳 酸盐集合体与熔体 并确定 了有关 的等压不变点 证 明了 3 7 G P a压力下 的固相线熔体 是富 C O 4 0 贫 S i O 1 6 G P a单斜辉石 的分解导致形 成富 N a 和 c a的碳酸盐熔体 含 1 1 N a O 在更 高的压力下形成 了典型 的地 幔转换带矿物 如 C A S 相和一种或两种钙钛矿 G r a s s i e t a 1 2 0 1 1 1 1 3 影响部分熔融的因素 在地壳压力下 H O对岩浆的生成上 比 C O 具 有更大的影响 然而 在地幔条件下 由于 C
9、O 与橄 榄岩作用形成了稳定 的钙质 白云石 从而使 C O 的 溶解度大大增加 Wy l l i e 1 9 7 7 同时 H O 在 俯 冲 作用中由于脱水和熔融使其在地幔楔 附近就与板片 脱离 贫水的碳酸盐化榴辉岩却将碳酸盐矿物带入 到深部地幔 因而 在更深部 的条件下 3 G P a C O 的作用则更加 明显一些 它能够极大 降低 地幔 橄榄岩 以及榴辉岩固相线温度 可达 3 0 0 c 并改变 其熔化阶段关系和熔体组 成 同时 少量 的 H O 铁 及钾加入到碳酸盐化橄榄 岩或榴辉岩 中也可以 使其熔 化温 度 降低 到平 均 的地 幔 地 热梯 度 以 下 D a s g u p
10、 t a e t a 1 2 0 0 4 Y a x l e y e t a 1 2 0 0 4 W h o lT l S e l l e t a 1 2 0 0 8 实验表明碳酸盐化橄榄岩和贫 K的榴辉岩在 2 7 G P a的熔 融 曲线 与 简单 的 C a C O 一Mg C O 3 4 F e C O 体系 I r v i n g e t a 1 1 9 7 5 B u o b e t a 1 2 0 0 6 出人意料地相似 这是由于 N a O在大约 3 5 G P a时 进入到单斜辉石 中 在一定程度上简化了熔体组成 地质论评 2 0 1 2正 此时硅酸盐矿物是难熔 的 因而导致
11、形 成 的初 始熔体 以碳酸盐熔体 为主 只有少 2 量 的 S i O 2 D a s g u p t a e t a 1 2 0 0 4 D a s g u p t a等 2 0 0 5 2 对在 3 G P a下 影 响碳酸盐 化榴 辉岩 的固相 线 的不 同 参数 如 C a C O 2 和 N a O含 1 量等 研究认为初始成分的 善 不 同造成 了相 对较低 压力 下固相 曲线的差异 表 2 具体来说 固相线温度随着 总成分 C a 的增 大而升 高 N a O和 H O的加入又会使 温度有所下降 总体 C O 的 深度 k m 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0
12、 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 j 爹 I一 一 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 力 GPa 耋 F i g 2 Si mp l i f i e d s o l i d u s o f c a r b o n a t e d p e r i d o t i t e 啪 e c l o g i t e a nd pe l i t e 时 总体 C O 2 含量对 固相线 综合简化自G h D s b 等 2 o 0 9 L j t a 2 0 0 9 2 o l o G r a s s i 等 2 0 1 1 其 中带字母的实线表 示在相对较低 起 着 重
13、要 的影 响 然 而 当 压下不同 学者给出的碳酸盐化榴辉岩的固相线 H H a m m o u d a 2 0 0 3 Y Y a x l e y 等 2 0 0 4 D C O 以复杂碳酸盐混合物加 D g u p 等 2 0 O 4 人 用于维持 全岩 的阳离子 y n t h e s i z e d c a n d S i mp l ifi e 山d he t 三 出a 1 2 0 1 0 2 0 1 0 G r a s iHe t aH1 20 1 1 比值 时 并 没 有 大 的 影 响 2 0 0 3 y y 1 y t a l 2 0 0 4 D D a s g Ll p t
14、t a 1 2 0 0 4 D a s g u p t a e t a 1 2 0 0 5 总之 含挥发份体 系的熔融 温度比无挥发份的要低很多 如含 5 C O 碳酸盐化 榴辉岩的固相线在 1 0 G P a下要位于无 挥发份体系 的 4 0 0 5 0 0 c C之下 图 2 碳酸盐化 泥质岩 的熔 融关系由在 固相线 的碳酸盐和富碱相控制 N a在 大约 3 5 G P a时相容于单斜辉石 中 使得 K明显地 降低了俯冲沉积物的固相线温度 并导致在 4 1 5 G P a 压力范围内形成 了超钾的交代作用 这被认 为很可能是高钾金伯利岩的源区 当压力 1 6 G P a 时 N a 在一
15、些相之间又重新 分配 如 同 3 G P a时 一 样开始变得不相容 导致形成 了富 N a的碳酸盐 熔体 其 K 2 O N a 2 0值 远 小 于 1 G r a s s i e t a 1 表2碳酸盐化的橄榄岩 榴辉岩及泥质岩的高温高温实验初始组成 T a b l e 2 C o mp o s i t i o n s o f s t a r t i n g ma t e r i a l u s e d i n h i g h T a n d h i g h P e x p e r i me n t s i n c a r b o n a t e d p e r i d o t i t
16、e e c l o g i t e a nd p e l i t e s s y s t e ms 岩性 P G P a S i O 2 T i O 2 A 1 2 0 3 C r 2 O 3 F e 0 Mg O C a O N a 2 O K 2 O H 2 O C O 2 资料来源 3 7 4 6 8 5 0 2 9 7 4 2 6 O 2 7 8 4 8 0 Da l t o n e t a 1 1 9 9 8 a 碳酸盐化 3 1 0 4 0 0 5 0 1 9 3 3 3 O 2 8 0 7 3 9 2 2 3 5 1 O 2 9 5 o 0 D a s g u p t a e t a 1 2 0 0 6 a 6 1 0 4 5 4 0 1 9 4 1 O 0 4 2 7 6 9 3 7 6 0 3 8 6 0 3 8 O 0 3 B r e y e t a 1 2 0 0 8 橄榄岩 l 0 2 0 4 2 4 0 3 4 2 0 4 7 6 3 5 6 3 6 0 5 0 4 5 0 Gh o s h e t a 1 2 0 0 9 1 O 3 2 4 4 7 6 4
