火成碳酸巖的實驗巖石學(xué)研究及對地球深部碳循環(huán)的意義

1、火成碳酸巖的實驗巖石學(xué)研究及對地球深部碳循環(huán)的意義    2012-09-12     論文導(dǎo)讀:火成碳酸巖是地表出露較少的幔源巖石之一。實驗巖石學(xué)研究表明碳酸鹽化的橄欖巖和循環(huán)的地殼物質(zhì)(如碳酸鹽化榴輝巖或泥質(zhì)巖)的低程度(1%)部分熔融均可以產(chǎn)生碳酸巖質(zhì)的熔體，其中碳酸鹽化泥質(zhì)巖具有最低的熔融溫度且更加富堿質(zhì)、CO2和不相容元素;富CO2的霞.    火成碳酸巖是地表出露較少的幔源巖石之一。實驗巖石學(xué)研究表明碳酸鹽化的橄欖巖和循環(huán)的地殼物質(zhì)(如碳酸鹽化榴輝巖或泥質(zhì)巖)的低

2、程度(1%)部分熔融均可以產(chǎn)生碳酸巖質(zhì)的熔體，其中碳酸鹽化泥質(zhì)巖具有最低的熔融溫度且更加富堿質(zhì)、CO2和不相容元素;富CO2的霞石質(zhì)等硅酸鹽巖漿也可以通過不混溶或分離結(jié)晶作用產(chǎn)生碳酸巖，用于解釋碳酸巖在空間中常與堿性硅酸巖的共生關(guān)系。由于碳酸巖熔體具有極低的粘度和高的活性，形成后在上升過程中會將二輝橄欖巖轉(zhuǎn)變?yōu)楫悇冮蠙鞄r，是引起地幔交代作用和地幔地球化學(xué)不均一性的重要介質(zhì)之一。實驗表明在俯沖作用過程中，大多數(shù)的碳酸鹽在位于島弧之下的含水熔融并不分解而是被帶入到深部地幔并且穩(wěn)定存在，含碳地幔的熔融又會形成碳酸巖質(zhì)的熔體，這說明俯沖循環(huán)物質(zhì)可能對碳酸巖的成因也起著重要的作用。然而，對于碳酸巖的初始

3、熔體成分、巖漿演化、地幔交代作用、成礦特征以及碳從地球深部返回到地表的途徑和過程等都存在著很大的爭議。我國火成碳酸巖出露相對較多，分布廣泛，因此，加強我國碳酸巖以及伴生硅酸巖的成因研究，同時開展與碳酸巖相關(guān)的實驗巖石學(xué)工作，不僅可以檢驗現(xiàn)有的成因理論，而且有助于提高我國對火成碳酸巖的研究水平;由于其特殊的成因背景，還可為許多存在很大爭議的重大地質(zhì)事件提供新的科學(xué)依據(jù)?；鸪商妓釒r;部分熔融;液態(tài)不混溶;分離結(jié)晶;地幔交代;碳循環(huán)火成碳酸巖是指含碳酸鹽礦物(如方解石、白云石、菱鐵礦等)體積大于50%，二氧化硅重量小于20%的火成巖石(LeMaitre，2002)，其地質(zhì)地球化學(xué)特征與常見的沉積成因

4、的碳酸鹽巖(如石灰?guī)r和白云巖)明顯不同，通常將沉積成因的主要由碳酸鹽礦物組成的巖石稱為碳酸鹽巖(carbonaterock)，而將由巖漿形成的主要由碳酸鹽礦物組成的巖石稱為火成碳酸巖或碳酸巖(carbonatite)。碳酸巖是地球表面出露很少的幔源巖石之一，目前全球僅發(fā)現(xiàn)527處，其中噴出巖49處(表1及圖1，Woolleyetal，2008)。碳酸巖多呈小的巖脈、巖株、巖墻、巖錐等出露，與橄欖巖、煌斑巖、金伯利巖、輝石巖、輝長巖、霞石巖、霓霞巖、響巖、粗面巖、黃長巖和正長巖等堿性硅酸巖構(gòu)成環(huán)狀雜巖體，其中碳酸巖的體積相對較小，僅占雜巖體10%左右。碳酸巖通常產(chǎn)于大陸裂谷區(qū)域(Woolley，

5、1989)，在大洋背景，如非洲西部的CapeVerde和Canary島嶼(Hoernleetal，2002)，在造山帶，如與喜馬拉雅運動相聯(lián)系的巴基斯坦西北部(Tiltonetal，1998)和我國攀西地區(qū)(許成等，2002;HouZengqianetal，2006)，以及秦嶺造山帶(XuChengetal，2007)，也可見呈透鏡體、脈狀、條帶狀和似層狀產(chǎn)出的碳酸巖。絕大多數(shù)碳酸巖最明顯的特征就是在其巖漿通過的圍巖中發(fā)生霓長巖化作用(LeBas，1981)。經(jīng)過半個多世紀的研究，人們意識到對碳酸巖的認識具有非常重要的意義:碳酸巖形成于地下至少75km處的低程度部分熔融(如Wyllieetal

6、，1975)，在所有火成巖中具有最高的不相容元素如Rb、Sr、U、Th、Ba、Nb、REE(Sr和Nd的平均含量分別為7000g/g和250g/g)含量，可以緩沖地殼混染，是研究地幔的“探針”巖石(Bell，1998);碳酸巖在大陸地殼中普遍存在，從太古宙(格陵蘭西部Tupertalik碳酸巖的年齡約為3.0Ga，是目前最老的碳酸巖，Bizzarroetal，2002)到現(xiàn)今(坦桑尼亞OldoinyoLengai碳酸巖火山最近一次噴發(fā)是1993年6月，Belletal，1995)均有產(chǎn)出，可以研究地幔源區(qū)的長期演化;碳酸巖在空間中常與堿性硅酸巖共生，許多產(chǎn)于大陸溢流玄武巖省中(如Deccan、

7、Siberia大火成巖省)，也與地幔柱形成密切相關(guān)(Belletal，2010);碳酸巖熔體還是引起地幔交代作用和地幔地球化學(xué)不均一性的重要介質(zhì)之一(Tiltonetal，1990;Dasguptaetal，2009);大規(guī)模地從地幔中提取碳，是研究地球內(nèi)部長期碳循環(huán)的重要巖石(Dasguptaetal，2006a，2010)。綜上所述，通過對碳酸巖的研究，在探討地幔物質(zhì)成分，地幔動力學(xué)以及有關(guān)礦產(chǎn)的成礦作用等方面具有重要的理論意義和實際價值，對于這類巖石的研究也已經(jīng)成為最新的國際熱點之一。近些年來，碳酸巖成因的研究迅速發(fā)展，特別是在同位素和實驗巖石學(xué)方面取得了很多重要進展和新的認識。碳酸巖的

8、同位素特征研究，國內(nèi)外已經(jīng)有了較多的報道(許成等，2002;HouZengqianetal，2006;Belletal，2010)，這對于探討碳酸巖是來自于巖石圈、下地幔還是巖石圈與下地幔的混合源區(qū)起到了極大的作用。然而，不同于同位素的研究，實驗巖石學(xué)在研究碳酸巖的巖漿生成及演化規(guī)律方面做出了重要的貢獻，與碳酸巖相關(guān)的一些關(guān)鍵的理論問題最后能得以解決，幾乎都離不開成巖模擬實驗。因此，本文通過總結(jié)關(guān)于碳酸巖巖漿起源、巖漿性質(zhì)和演化的實驗巖石學(xué)研究以及運用這些成果在解釋地幔交代作用、地球深部碳循環(huán)等重大問題所起的關(guān)第4期宋文磊等:火成碳酸巖的實驗巖石學(xué)研究及對地球深部碳循環(huán)的意義727鍵作用，以期

9、人們能夠更加深入的了解碳酸巖的成巖特點，并加強國內(nèi)碳酸巖的研究。地球化學(xué)證據(jù)表明碳酸巖巖漿可以形成于地幔物質(zhì)的部分熔融，由于它們高度富集不相容元素，因而被認為其形成于極低程度(通常小于1%)的部分熔融(Nelsonetal，1988)。早期的研究用實驗測定地幔物質(zhì)初熔的相平衡關(guān)系在技術(shù)上是很困難的:由于很少量熔體的存在，很難維持化學(xué)平衡;碳酸巖熔體具有高度的活性，所得到的熔體經(jīng)常都是淬火的晶體而不是玻璃(Gengeetal，1995);同時熔體并不聚積而是形成非常小的碎片遍布于整個樣品中，導(dǎo)致對部分熔融產(chǎn)生的熔體很難進行定量的成分分析。近些年來，一些新的實驗方法和技術(shù)被用于確定少量部分熔融熔體

10、(10%)的組成，包括改進的“三明治”實驗(Hirschmannetal，2007)、金剛石或石墨“陷阱”(Wasylenkietal，2003;Laporteetal，2004)、熱分離等高溫高壓實驗方法(Ghoshetal，2009)和激光拉曼光譜、激光剝蝕等離子質(zhì)譜(LA-ICPMS)及同步輻射分析(王雁賓，2005)等測試手段的應(yīng)用使得人們對碳酸巖的熔體的獲取及其物理和化學(xué)性質(zhì)的研究均取得了極大的進展。部分熔融碳酸鹽化橄欖巖的部分熔融碳酸巖的部分熔融實驗大多數(shù)都采用活塞圓筒以及多面壓砧等高溫高壓實驗設(shè)置，生成的熔體因其形成于非常低程度的部分熔融在一般意義上都可以被認為是近固相線的液相。

11、Wyllie等(1975)用CaOMgOSiO2CO2(CMSCO2)體系研究地幔橄欖巖的部分熔融時，獲得了CO2含量大于45%的碳酸巖質(zhì)液相，并認為富碳酸鹽的巖漿可以在深度70km處由含碳酸鹽礦物的橄欖巖部分熔融產(chǎn)生。隨后一些實驗也陸續(xù)驗證了CMSCO2體系的部分熔融的確能產(chǎn)生可以結(jié)晶成碳酸鹽的液相組成，但這些研究缺乏Na、K、Al、P、Fe等形成碳酸巖中硅酸鹽礦物(云母、輝石、角閃石)、磷酸鹽和氧化物礦物所必需的元素。Wallace等(1988)在1.63.2GPa的壓力下發(fā)現(xiàn)含0.3%的H2O和0.5%2.5%CO2的角閃石橄欖巖(二輝橄欖巖)通過部分熔融產(chǎn)生的液體含3%SiO2、2%A

12、l2O3、5%Na2O、0.4%K2O、4%FeO和3.5%P2O5，這些組分使上述非碳酸鹽礦物的結(jié)晶成為可能。Dalton等(1998a)在復(fù)式壓砧裝置中模擬了CaOMgOAl2O3SiO2CO2(CMASCO2)體系中碳酸鹽化二輝橄欖巖在37GPa壓力下的熔化關(guān)系，實驗產(chǎn)物包括橄欖石、斜方輝石、石榴子石、碳酸鹽集合體與熔體，并確定了有關(guān)的等壓不變點，證明了37GPa壓力下的固相線熔體是富CO2(40%)、貧SiO2(6%)的，其成分相當于碳酸巖。報道了天然碳酸鹽化橄欖巖樣品(含2.5%CO2)在310GPa下熔融的固相線及熔化相關(guān)系，并在高壓下觀測到了急速上升的固相線，即在10GPa下熔融

13、溫度超過了1500，這是由于菱鎂礦是相應(yīng)溫壓下唯一穩(wěn)定的碳酸鹽礦物，這條固相線在更大壓力下的外推表明在深部地幔中菱鎂礦可以穩(wěn)定存在。Litasov等(2009)對含5%CO2的碳酸鹽化橄欖巖在10.532GPa、13001850下的研究表明在1032GPa下的固相線相對于較低壓下平緩了許多，菱鎂礦在這個壓力區(qū)間里的確是唯一存在的碳酸鹽礦物，形成了富堿(高Na2O)的鎂質(zhì)碳酸巖熔體。循環(huán)物質(zhì)的部分熔融循環(huán)的地殼物質(zhì)進入地幔要經(jīng)歷如下過程:俯沖的洋殼至少部分脫揮發(fā)份并產(chǎn)生流動的相(可能為流體、熔體或超臨界流體)丟失其部分的主量和微量元素到地幔楔中(Kesseletal，2005)。經(jīng)歷過這種過程后

14、剩余的物質(zhì)可以循環(huán)入更大的深度并最終加入到地幔中。在弧前或弧下背景下，H2O是主728地質(zhì)論評2012年要的揮發(fā)份組成(Nicholsetal，1994)，然而在超過大約9GPa，硬柱石和多硅白云母脫水，只有很少量的含水相礦物仍然穩(wěn)定(Schmidtetal，1998;Ono，1998)，隨著深度的增加，俯沖板片中大部分的H2O最終儲存到了名義上的無水礦物中，如橄欖石和石榴子石。對于洋殼中的碳酸鹽礦物，卻是另一種情況，只有少量的碳酸鹽礦物在弧下分解，大多數(shù)的CO2賦存于俯沖的碳酸鹽中并被帶入到更深的地區(qū)(Kerricketal，2001)。我國碳酸巖形成時代從古元古代(如白云鄂博碳酸巖巖墻，范宏瑞等，2002)到新生代(如甘肅禮縣碳酸巖，喻學(xué)惠等，2004)，與之共生的雜巖體包括輝石巖、金伯利巖、霓霞巖、煌斑巖、高鉀火山巖和正長巖等。然而，我國對于碳酸巖研究的起步較晚，已有工作也主要集中在與之共生的稀土礦床(如白云鄂博和攀西地區(qū)的稀土礦床)的成因聯(lián)系上，對于碳酸巖及其共生的(堿性)硅酸巖的成巖機理探討卻相對較少。一些雜巖體或巖墻如山西臨縣紫金山堿性巖碳酸巖