碳循环对华北克拉通破坏影响的高温高压实验研究

Large amount of carbonate could be recycled into deep mantle by the subduction zones around North China Craton (NCC), such as Paleo-Tethyan ocean plate and Paleo-Pacific plate. Previous experimental results demonstrate that carbonatitic melt can most likely be produced in sub-craton asthenosphere at a depth up to ~300 km. According our preliminary high-pressure and high-temperature results, we believed that the infiltration of carbonatitic melt into the lithosphere of NCC and form a weak zone in the latter should be responsible for the destruction of NCC. The significance of carbonatitic melt for the destruction of NCC didn’t arouse great interests in the past decades. Here we proposed to use the modern high pressure and high temperature method and advanced analysis technique to simulate the physical and chemical interaction between carbonatitic melt and NCC lithosphere. Our experimental results will supply the constraints for discussing the dynamical processes and destruction mechanical of NCC.

华北周边地区板块的俯冲（例如古特提斯俯冲带和古太平洋俯冲带）可以携带大量的沉积碳酸盐进入华北克拉通之下的软流圈地幔。前人的研究表明这些碳酸盐在软流圈地幔中应该是以熔体（成分接近白云石）的形式存在。结合前人的研究成果和我们的预研究结果，我们认为碳酸盐熔体运移进入华北克拉通岩石圈地幔，形成力学弱化带是导致后者发生减薄的重要机制之一。碳酸盐熔体在华北克拉通破坏过程中的重要作用长期被忽视。本项目将运用现代化的高温高压手段，先进的分析测试技术，直接模拟研究碳酸盐熔体在克拉通岩石圈地幔中的运移过程，确定它们之间的物理、化学互动关系，为探讨克拉通破坏的动力学过程提供新思路和相关约束条件。

熔体-橄榄岩反应被认为是导致华北克拉通岩石圈性质改变的重要原因。但是以前的研究主要集中在硅酸盐熔体-岩石圈地幔的相互作用，而对碳酸盐熔体的影响则较少关注。本课题，在压力为3-6GPa，温度1100-1300°C条件下研究了富钙的碳酸盐熔体与方辉橄榄岩的相互作用。分层实验研究结果显示，富钙碳酸盐熔体会吸收斜方辉石（+少量橄榄石），并在接触边界晶出单斜辉石，导致熔体逐渐向富镁方向发展。同时，实验结果显示熔体的运移速率远高于斜方辉石的溶解速率，因此少量碳酸盐熔体就会迅速打开大量的岩石圈地幔的颗粒边界，进而弱化岩石圈地幔刚性。另外，我们还发现破坏之前的华北克拉通地幔橄榄岩中的Cpx成分与我们的实验结果非常吻合，而破坏之后的橄榄岩中的Cpx则与硅酸盐熔体-橄榄岩反应结果相近。因此，我们认为碳酸盐熔体-橄榄岩之间的相互作用很可能是早白垩纪华北克拉通破坏的重要原因。