地幔再循环碳的金属同位素示踪

Previous estimates of carbon flux entering the convective mantle via subduction are highly uncertain and debated. Our recent studies demonstrated that magnesium isotopes are a powerful tracer for recycled sedimentary carbonates in the mantle, which reveals that subduction of altered oceanic crust in west Pacific brought marine Mg-rich carbonates into the mantle transition zone, and carbonatitic melts produced by melting of the subducted carbonated oceanic crust infiltrated the overlying convective mantle to form a large-scale light Mg isotopic anomaly in eastern China. Future investigations using multi metal stable isotopes are needed to determine whether or not the present story of extensive carbon subduction will hold up elsewhere or in other settings, which has important significance for understanding of the down-going part of the global carbon cycle and improvement of isotope tracers. For this purpose, this project focuses on four issues: (1) Geochemical behaviors of Ca-Zn isotopes in ultrahigh-pressure eclogite and marble to provide the basis for tracing deep carbon recycling by using Ca-Zn isotopes; (2) Mg-Zn-Ca isotopic geochemistry of mantle-derived igneous rocks on Tethys oceanic subduction zone from the Burma, through Tibet and Iran to Mediterranean; and (3) Mg-Zn-Ca isotopic geochemistry of mantle-derived rocks from 3 large igneous provinces including the Emeishan, Hainan+Vietnam and Tarim to test if it is possible that some subducted carbonates have been carried into the lower mantle; and (4) Exploring the possibility of tracing recycled carbon in island arc area by using Ca-Zn isotopes.

前人对通过板片俯冲进入对流地幔的碳通量估计是非常不确定的和高度争议的。我们近年的研究证明了镁同位素是示踪深部碳循环的有力工具，它揭示了西太平洋俯冲洋壳可以将海洋富镁碳酸盐岩带到地幔过渡带，并熔融交代上覆对流地幔，造成中国东部上地幔大尺度轻镁同位素异常。进一步用多个金属同位素调查大规模深部碳循环是否存在于全球其它地区及不同的构造环境，对理解全球碳循环的向下通量和改进示踪工具有重要意义。为此，本研究主要包括4个方面内容：（1）俯冲带超高压榴辉岩和大理岩的钙-锌同位素地球化学行为，为应用钙-锌同位素示踪深部碳循环提供理论依据；（2）扩大研究特提斯洋板块俯冲带（从缅甸，经青藏、伊朗至地中海）幔源火成岩的镁-锌-钙同位素地球化学；（3）3个大火成岩省（峨眉山、海南+越南和塔里木）幔源岩石的镁-锌-钙同位素地球化学，检验再循环碳酸盐岩能否进入下地幔；（4）探索钙-锌同位素示踪岛弧区碳循环的可能性。

项目按照申请书拟定的计划开展了相关研究工作，已发表21篇相关的论文，其中第一标注论文11篇、第二标注10篇。取得的主要成果包括：1，对东南特提斯俯冲带缅甸、云南三江地区以及西特提斯俯冲带的巴尔干半岛中部的新生代钠质碱性和超碱性玄武岩进行了系统的Mg-Zn同位素研究，揭示与西太平洋俯冲带类似，特提斯俯冲带的深部对流上地幔同样具有大量的再循环富镁碳酸盐，从而证明含富镁碳酸盐可再循环进入地幔过渡带具有全球性；2，总结了板块俯冲过程中硅酸盐和碳酸盐体系的Mg同位素地球化学行为，提出板块俯冲过程中俯冲富钙碳酸盐与相邻富铁镁硅酸盐的Ca-Mg交换反应可产生变质富镁碳酸盐，是深俯冲富镁碳酸盐的主要来源和导致俯冲碳酸盐进入深部地幔的主要机制；3，对华北克拉通和环地中海区域岩石圈地幔中碳的来源及其释放进行了深入研究，揭示岩石圈地幔是地球内部的重要碳储库和华北克拉通破坏可释放岩石圈的大量CO2。这对白垩纪地表大气CO2含量上升有一定贡献；4，对中国东部新生代玄武岩开展了铂族金属元素地球化学和铁同位素研究，揭示了深部碳循环驱动的深部氧循环，并阐明了净氧向浅表的迁移机制；5，对中国云南腾冲玄武岩、大别毛屋超高压变质超镁铁质岩开展了Mg同位素研究，证实了随着板块俯冲深度的加深，镁质碳酸盐（白云石）在超临界流体中具有更高的溶解度从而发生明显的溶解迁移；6，对华北克拉通新生代四类板内玄武岩（霞石岩、碧玄岩、碱性和拉斑玄武岩）开展了Mg和Zn同位素研究，揭示了含碳酸盐硅酸盐熔体与岩石圈地幔反应是造成其成分变化的主要机制，也是华北克拉通岩石圈在晚白垩世和新生代减薄过程的一种可能机制。7，提出了利用Zn同位素和Zn含量有效鉴别是否存在化学扩散效应以及铬铁矿分离结晶对玄武岩浆Zn同位素异常是否存在影响的指标；8，对峨眉山大火成岩省中苦橄岩和玄武岩开展了Mg-Zn同位素研究，揭示其地幔源区不存在再循环碳酸盐。