俯冲带脱碳和固碳作用过程

俯冲带作为联系地表和地球深部系统的纽带,不仅是将地表碳带入地球深部的主要通道,也是地表物质和地球深部物质发生交换的重要场所。俯冲作用可以将地表碳以有机碳或无机碳酸盐矿物等形式带入地球深部,再通过火山作用或去气作用返回到地表系统。俯冲带深部碳循环控制着地表碳通量变化,对于研究全球气候变化和地球宜居环境具有重要意义。本文结合前人的相关研究成果,综合探讨了俯冲带的脱碳机制及固碳作用过程。俯冲带脱碳机制主要有变质反应脱碳、流体溶解脱碳和熔融作用脱碳。从俯冲板块释放的含碳流体不一定都会迁移返回地表,有一部分含碳流体在迁移演化过程中会和围岩发生反应,形成不易迁移的其他含碳相(碳酸盐、石墨或金刚石)而重新固存在俯冲板块以及上覆地幔楔中(固碳作用),进而影响碳在不同储库中的含量变化,在计算俯冲带释放碳通量时需要考虑这一过程的影响。     

俯冲带变质过程中的含碳流体

俯冲带含碳岩石通过俯冲过程的变质反应生成了含碳水流体、富硅酸盐的超临界流体和含碳熔体。不同类型流体的形成与岩石成分和岩石经历的温压条件相关。岩石中碳酸盐矿物脱碳反应的温压条件取决于岩石起初的流体成分:有水存在时,反应发生在低温条件下。在高压条件下,碳酸盐矿物在水或含盐水流体的溶解是生成含碳流体重要的机制,其导致的碳迁移作用可能超过脱碳变质反应的作用。高温条件下,含碳岩石的部分熔融可以生成含碳的熔体,这在热俯冲环境和俯冲带岩石底辟到上覆地幔的情况下是碳迁移重要载体。富硅酸盐的超临界流体可能是在第二临界端点上形成的超临界流体,目前在超高压岩石中观察到的非花岗质成分的多相固体包裹体被认为是这种流体结晶的产物,然而对其理解尚存在很多问题,需要进一步的实验研究。地表含碳岩石在俯冲带被带到深部,俯冲带地温特征的不同导致了不同类型含碳流体的形成,这些流体运移至上覆地幔引起岩石部分熔融产生含碳的岛弧岩浆,岩浆喷出到地表释放了其中的碳,这构成了俯冲带-岛弧系统的碳循环。     

俯冲带碳酸盐化对深部碳循环的启示:以中国西南天山碳酸盐化云母片岩为例

俯冲带可将地球表层碳输送至深部地幔,同时也记录着俯冲板片来源碳质流体的迁移沉淀机制,对地球深部碳循环具有重大影响。近年来,俯冲带脱碳机制的研究表明流体溶解脱碳作用是冷的大洋俯冲板片释放COH流体的重要方式,而上覆板块(尤其地幔楔)则被认为是缓冲这些COH流体的重要场所,甚至是俯冲带CO_2的唯一"归宿"。事实上,俯冲带岩石本身的固碳能力却受到了忽视,而对俯冲带岩石捕获和固存CO_2(carbon capture and storage,CCS)能力的评估对全球碳通量的估算尤为重要。本文以中国西南天山高压-超高压变质带中碳酸盐化云母片岩为例,探讨俯冲带岩石的碳酸盐化对深部碳循环的影响。西南天山长阿吾子一带的碳酸盐化云母片岩记录了俯冲板片起源的碳质流体对俯冲带云母片岩的交代作用,地球化学特征表明蛇纹岩释放的富水流体溶解俯冲洋壳中的碳酸盐可能是产生COH流体的重要机制。基于碳质流体对多硅白云母(Si(a.p.f.u.)=3.58～3.73)的交代及相对高压的碳酸盐矿物(主要为白云石和菱镁矿)与金红石的共生,结合区域上碳酸盐化云母片岩与高压碳酸盐化蛇纹岩(HP-ophidolomite)的伴生,我们认为云母片岩的碳酸盐化作用可能发生在俯冲板片峰期稍后的高压折返阶段。俯冲带云母片岩的固碳作用表明除了上覆板块,俯冲带岩石本身对于碳质流体也具有很好的吸收能力。初步估算表明俯冲带云母片岩的碳酸盐化每年可固存至少2.46～6.68Mt/yr,约占俯冲板片每年进碳量的4%～17%。     

地球深部碳循环与碳酸岩成因研究进展

地球深部碳循环是指地球表层的碳在俯冲带进入地幔深部,然后通过岩浆或者脱气作用再把地幔中的碳释放到地球表层系统中的过程。人类对地球深部碳赋存形式和储量、不同储库的交换方式和交换量尚缺乏清晰认识,近年来随着分析技术的发展和研究的深入,深部碳循环的研究日益丰富。本文总结了地幔中碳赋存状态、地球深部碳储量、碳进出地幔方式及通量、俯冲带碳的行为和碳酸岩成因及成矿方面的研究。地幔中碳赋存形式多样且主要受地球深部压力及氧逸度控制。相平衡实验和热动力学计算发现碳酸盐化榴辉岩在300～600 km发生部分熔融,交代地幔橄榄岩形成碳酸盐化地幔橄榄岩。碳酸盐化地幔橄榄岩的熔融又会形成碳酸岩熔体,这说明俯冲再循环物质可能对碳酸岩的成因起重要作用。碳酸岩是研究深部碳循环的良好载体,其源区特征、岩浆演化过程对示踪碳在地幔和地壳过程中的迁移至关重要。虽然深部碳循环在碳赋存形式、碳储量及通量、俯冲带碳的流变行为和碳酸岩成因对深部碳循环的启示方面已经取得了较大的研究进展,但仍有大量的科学问题亟待解决,如:沉积碳酸盐岩再循环进入地球深部后的行为、俯冲带板片流体地球化学行为、俯冲带流体氧逸度特征等,将来有必要重点开展深入研...     

俯冲带深部碳循环:问题与探讨

碳循环可以分为地球表层短周期的地表碳循环和地球内部长周期的深部碳循环。地球的碳90%以上是赋存在固体地球内部,因此深部碳循环研究对于探讨地表碳循环过程具有重要意义。本文较深入地探讨了俯冲带深部碳循环研究的现状和问题。目前俯冲带深部碳循环研究关键的科学问题包括:(1)俯冲带变质过程中含碳物质相的转变,(2)俯冲带脱碳机制,(3)俯冲带深部碳循环和地幔交代作用。俯冲带变质过程中含碳物质相的转变是深部碳循环研究的最基本问题,将是深部碳进一步研究的重点。俯冲带脱碳机制主要包括纯变质反应脱碳、流体溶解脱碳(流体渗透作用)、熔融作用脱碳和氧化还原反应脱碳4个方面,这是目前深部碳循环研究的前沿领域。俯冲带深部碳循环研究对于探讨地幔不均一性以及地幔交代过程都具有重要研究意义。     

俯冲带中大理岩与榴辉岩的Mg-Fe-C-O同位素迁移

碳酸盐岩和碳酸盐化岩石是俯冲带中碳的主要地质载体.俯冲-折返的超高压变质岩记录了俯冲隧道中流体-岩石的相互作用与元素迁移,是研究地球内部元素循环的重要媒介.本文采集了大别造山带罗家岭互层状产出的大理岩和榴辉岩,建立了横跨岩性界面的矿物组成、显微结构和Mg-Fe-C-O同位素剖面.大理岩中主要组成矿物为白云石,其次为方解...     

俯冲带的碳循环及其对地球深部动力学过程的启示

俯冲带的碳循环不仅在维持地球表层和地球深部之间的碳平衡方面起着关键的作用,而且还和许多重要的地球深部动力学过程密切相关。热动力学数值模拟和高温高压实验的研究结果表明,俯冲大洋板片中的大多数碳酸盐能够在弧前和弧下深度幸存下来,从而进入更深的地幔中。在地幔过渡带,因为板片滞留所带来的热松弛效应将使幸存下来的碳酸盐以熔体的形式释放出去,其独特的物理化学性质使这些熔体构成了一种有效的交代组分。考虑到地幔过渡带的氧逸度特别低,那些进入未经交代地幔中的碳酸盐熔体将变得不稳定而被还原成其他形式。不过在随后地幔对流上升的过程中,这些被还原的表壳碳又会因为氧逸度在某些临界深度发生突变而氧化熔融,这也许可以解释地幔不同深度所存在的某些高导低速体和地震波各向异性等现象。作为洋壳俯冲的后续过程,陆壳的深俯冲作用也可以将表壳碳带至地幔深处,例如超高压大理岩和碳酸盐化榴辉岩的广泛产出就是最好的证明。超高压变质岩中金刚石的产出表明其构成了表壳碳在地幔深处的一种重要赋存形式,研究显示其形成过程和富碳熔体、流体的活动密切相关。虽然前人针对俯冲带的碳循环已经取得了若干研究进展,然而仍有大量的科学问题亟待解决。最后就一些关键性的问题进行了列举说明,并对未来的研究方向进行了展望。     

地幔氧逸度与俯冲带深部碳循环

地幔氧逸度通过改变含碳相的存在形式和迁移方式来影响深部碳循环。本文结合最新的地幔氧逸度实验模拟和岩石学研究成果,探讨了地幔氧逸度时空分布对深部碳循环的影响。文章重点结合地幔减压熔融形成洋壳、新生洋壳蚀变、洋壳俯冲变质、深俯冲洋壳熔融以及俯冲洋壳物质(流体和固体)通过岩浆(岛弧和地幔柱)作用循环出地表等重要地质过程,探讨了伴随洋壳俯冲作用的深部碳循环过程。由于地幔氧逸度的时空变化,俯冲带含碳相表现出不同的存在形式和迁移能力。通过对西南天山俯冲带碳循环的岩石学和实验研究,我们认为应当进一步深入研究俯冲带氧化还原状态及其对俯冲带深部碳循环的影响。     

陕西勉县庙坪石墨矿床地球化学特征及成矿机制研究

新发现的勉县庙坪石墨矿床位于南秦岭勉略缝合带,工业类型为晶质鳞片状石墨矿石.本文对该矿床进行地球化学特征研究,并探讨其成因机制.研究结果表明,含矿岩石黑云母变粒岩Al2O3含量为7.32％～15.01％、TFeO为2.28％～8.68％、Na2O为0.17％～3.38％、K2O为 1.15％～3.42％、TiO2为0.50％～0.80％,稀土元素总量为106.38×10-6～236.37×10-6;黑云母变粒岩具有明显的Eu、Sr负异常,U、Cs、Pb的正异常,Ce异常不明显.通过对本区变质原岩恢复、沉积环境及原岩物质来源分析可知,矿区变质岩原岩应为沉积岩,具有泥质砂岩、粉砂岩的特征,变质岩系原岩主要形成于缺氧还原的海洋沉积环境.碳同位素分析显示,矿石中石墨的δ13C为-23.6‰～-21.7‰,大理岩的δ13C为-7.1‰～3.3‰,石墨中的碳质来源主要为生物有机质,而大理岩的碳质来源为无机碳.本区经区域变质作用,使含碳质岩石富化成矿,矿床成因应属沉积变质型矿床.     

蚀变洋壳玄武岩俯冲过程中含碳矿物相变质演化及脱碳作用的研究

俯冲作用是连接地表系统和地球深部系统的最为关键的地质过程,其对研究地球深部碳循环具有重要的意义。俯冲洋壳岩石圈中的碳主要存储在沉积物、蚀变洋壳玄武岩以及蛇纹岩中。俯冲变质作用过程含碳岩石的变质演化控制着其中含碳矿物相的转变及碳迁移过程。本文选取了蚀变洋壳玄武岩进行相平衡模拟,来研究其含碳矿物相的变质演化过程。计算结果表明,变质玄武岩体系中的碳酸盐矿物之间的转变反应除了受压力控制之外,还受到温度和体系中铁含量的影响。随着压力的升高蚀变玄武岩中碳酸盐矿物会发生方解石/文石-白云石-菱镁矿的转变,但在高压/超高压条件下,温度的升高可以使菱镁矿转变成白云石。碳酸盐矿物中的铁含量受到体系中铁含量的影响,白云石和菱镁矿中的铁含量随着体系中铁含量的增加而增加。在水不饱和条件下,洋壳不管是沿着低温还是高温地热梯度线俯冲到岛弧深度,蚀变玄武岩体系几乎都不发生脱碳作用。然而在水饱和条件下,当洋壳沿着高温以及哥斯达黎加地热梯度线俯冲到岛弧深度时,蚀变玄武岩体系中的碳几乎可以全部脱出去。蚀变玄武岩体系中水含量的增加可以促进体系的脱碳作用。     

Redox evolution of western Tianshan subduction zone and its effect on deep carbon cycle

Knowing the phase relations of carbon-bearing phases at high-pressure(HP) and high-temperature(HT) condition is essential for understanding the deep carbon cycle in the subduction zones.In particular,the phase relation of carbon-bearing phases is also strongly influenced by redox condition of subduction zones,which is poorly explored.Here we summarized the phase relations of carbon-bearing phases(calcite,aragonite,dolomite,magnesite,graphite,hydrocarbon) in HP metamorphic rocks(marble,metapelite,eclogite) from the Western Tianshan subduction zone and high-pressure experiments.During prograde progress of subduction,carbonates in altered oceanic crust change from Ca-carbonate(calcite) to Ca,Mg-carbonate(dolomite),then finally to Mgcarbonate(magnesite) via Mg-Ca cation exchange reaction between silicate and carbonate,while calcite in sedimentary calcareous ooze on oceanic crust directly transfers to high-pressure aragonite in marble or amorphous CaCO3 in subduction zones.Redox evolution also plays a significant effect on the carbon speciation in the Western Tianshan subduction zone.The prograde oxygen fugacity of the Western Tianshan subduction zone was constrained by mineral assemblage of garnet-omphacite from FMQ-1.9 to FMQ-2.5 at its metamorphic peak(maximum P-T) conditions.In comparison with redox conditions of other subduction zones,Western Tianshan has the lowest oxygen fugacity.Graphite and light hydrocarbon inclusions were ubiqutously identified in Western Tianshan HP metamorphic rocks and speculated to be formed from reduction of Fe-carbonate at low redox condition,which is also confirmed by high-pressure experimental simulation.Based on petrological observation and high-pressure simulation,a polarized redox model of reducing slab but oxidizing mantle wedge in subduction zone is proposed,and its effect on deep carbon cycle in subduction zones is further discussed.     

超高压变质作用过程中的流体——来自苏鲁超高压变质岩岩石学、氧同位素和流体包裹体研究的限定

苏鲁造山带超高压变质岩岩石学、氧同位素、流体包裹体和名义上无水矿物的研究表明，流体-岩石相互作用在大陆地壳的俯冲与折返过程中起到多重的重要作用，并形成了复杂的流体演化过程：（1）大陆表壳岩通过与高纬度大气降水的交换作用被广泛水化，并获得了异常低的氧同位素成分；（2）在水化陆壳物质的俯冲过程中发生了一系列的进变质脱水反应，所释放的流体主要结合进了高压、超高压含水矿物和名义上无水超高压矿物；（3）在超高压变质过程中，以水为主的变质流体通过选择性的吸收使其盐度逐渐升高，并在峰期出现高密度、高盐度的H2O或CO2-H2O流体。有机质的分解反应在局部形成了以CO2、N2、CH4或它们的混合物为主要成分的变质流体；（4）名义上无水超高压矿物的结构水出溶是早期退变质流体的主要来源，并在局部富集形成了高压变质脉体；（5）透入性的中、低盐度水流体活动使超高压变质岩通过一系列的水化反应转变成角闪岩相变质岩；（6）沿韧性剪切带和脆性破碎带的强烈水流体活动为绿片岩相退变质作用和低压石英脉的形成提供了变质流体；（7）可变盐度的H2O或CO2-H2O流体是整个超高压变质岩形成与折返过程中的主要流体，但局部的流体．岩石相互作用形成了非极性的变质流体。     

Garnet growth at high- and ultra-high pressure conditions and the effect of element fractionation on mineral modes and composition

In this paper we show that thermodynamic forward modelling, using Gibbs energy minimisation with consideration of element fractionation into refractory phases and/or liberated fluids, is able to extract information about the complex physical and chemical evolution of a deeply subducted rock volume. By comparing complex compositional growth zonations in garnets from high-and ultra-high pressure samples with those derived from thermodynamic forward modelling, we yield an insight into the effects of element fractionation on composition and modes of the co-genetic metamorphic phase assemblage. Our results demonstrate that fractionation effects cause discontinuous growth and re-crystallisation of metamorphic minerals in high pressure rocks. Reduced or hindered mineral growth at UHP conditions can control the inclusion and preservation of minerals indicative for UHP metamorphism, such as coesite, thus masking peak pressure conditions reached in subducted rocks.Further, our results demonstrate that fractional garnet crystallisation leads to strong compositional gradients and step-like zonation patterns in garnet, a feature often observed in high-and ultra-high pressure rocks. Thermodynamic forward modelling allows the interpretation of commonly observed garnet growth zonation patterns in terms of garnet forming reactions and the relative timing of garnet growth with respect to the rock's pressure–temperature path. Such a correlation is essential for the determination of tectonic and metamorphic rates in subduction zones as well as for the understanding of trace element signatures in subduction related rocks. It therefore should be commonplace in the investigation of metamorphic processes in subduction zones.     

俯冲隧道内不同深度的壳幔相互作用:地幔楔超镁铁质岩的镁同位素记录

在不同的俯冲深度,俯冲板片会释放出不同来源和组成的熔/流体进入俯冲隧道中,并进而影响上覆地幔楔及衍生岛弧岩浆的地球化学组成.然而,如何识别俯冲隧道中不同深度熔/流体组分的来源一直是俯冲带研究中的难点.对不同深度来源的地幔楔超基性岩进行了Mg同位素研究,发现了Mg同位素具有示踪俯冲板块熔/流体来源的能力.首先,研究了美国加州Franciscan杂岩中一套经历了多期次流体交代作用的浅部来源（< ~60 km）的变质超基性岩.这些部分蛇纹石化的地幔楔超基性岩在蛇纹石脱水形成滑石的过程中会释放轻Mg同位素进入流体,而重Mg同位素更多地残留在滑石相中;随后进一步受俯冲板块来源流体的交代形成具有高CaO和轻Mg同位素组成的透闪石化变橄榄岩,暗示流体中含有源自俯冲板片的、富集轻Mg同位素的碳酸盐,说明在弧前~60 km深度,部分含Mg碳酸盐（方解石）可以在俯冲隧道中发生溶解并迁移交代上覆地幔楔橄榄岩.对深部地幔楔来源（~160 km）的大别造山带毛屋地区超镁铁质岩体岩相学和元素地球化学研究结果证实了其交代成因.结合多相包裹体、元素地球化学以及前人估计的温-压条件,推测交代介质更接近超临界流体.锆石U-Pb年代学研究揭示,交代作用主要发生在古生代洋壳俯冲阶段（454±58 Ma）,超高压变质作用则发生在三叠纪陆壳俯冲阶段（232.8±7.9 Ma）.古生代锆石中大量的碳酸盐矿物包裹体和重O同位素特征说明古生代洋壳俯冲交代过程中有沉积碳酸盐组分加入.全岩和单矿物的Mg同位素组成均显著低于地幔值以及大别新元古代榴辉岩,说明交代的碳酸盐组分来源应为循环的沉积富Mg碳酸盐,暗示了在俯冲带深部富Mg沉积碳酸盐在超临界流体中会发生溶解迁移.由于沉积碳酸盐具有独特的、显著富集轻Mg同位素组成的特征,这种交代作用会造成地幔楔局部具有异常的Mg同位素组成,从而解释目前观察到的岛弧火山岩的Mg同位素特征.因此,Mg同位素是示踪俯冲碳酸盐与上覆地幔楔相互作用的有效工具.      

Synmetamorphic carbon mobility and graphite enrichment in metaturbidites as a precursor to orogenic gold mineralisation, Otago Schist, New Zealand

The Macraes orogenic gold deposit is hosted by a graphitic micaceous schist containing auriferous porphyroblastic sulphides. The host rock resembles zones of unmineralised micaceous graphitic pyritic schists, derived from argillaceous protoliths, that occur locally in background pelitic Otago Schist metasediments. This study was aimed at determining the relationship between these similar rock types, and whether the relationship had implications for ore formation. Argillites in the protolith turbidites of the Otago Schist metamorphic belt contain minor amounts of detrital organic matter (<0.1 wt.%) and diagenetic pyrite (<0.3 wt.% S). The detrital organic carbon was mobilised by metamorphic–hydrothermal fluids and redeposited as graphite in low-grade metaturbidites (pumpellyite–actinolite and greenschist facies). This carbon mobility occurred through >50 million years of evolution of the metamorphic belt, from development of sheared argillite in the Jurassic, to postmetamorphic ductile extension in the Cretaceous. Introduced graphite is structurally controlled and occurs with metamorphic muscovite and chlorite as veins and slicken-sided shears, with some veins having >50% noncarbonate carbon. Graphitic foliation seams in low-grade micaceous schist and metamorphic quartz veins contain equant graphite porphyroblasts up to 2 mm across that are composed of crystallographically homogeneous graphite crystals. Graphite reflectance is anisotropic and ranges from ~1% to ~8% (green light). Texturally similar porphyroblastic pyrite has grown in micaceous schist (up to 10 wt.% S), metamorphic quartz veins and associated muscovite-rich shears. These pyritic schists are weakly enriched in arsenic (up to 60 ppm). The low-grade metamorphic mobility and concentration of graphite in micaceous schists is interpreted to be a precursor process that structurally and geochemically prepared parts of the Otago Schist belt for later (more restricted) gold mineralisation. Economic amounts of gold, and associated arsenic, were subsequently introduced to carbonaceous sulphidic schists in the Macraes gold deposit by a separate metamorphic fluid derived from high-grade metaturbidites. Fluid flow at all stages in these processes occurred at metamorphic rates (mm/year), and fluids were broadly in equilibrium with the rocks through which they were passing.     

碳酸盐化榴辉岩的岩石学研究进展

碳循环进入地幔中主要是通过大洋板块俯冲作用完成的,再通过火山去气作用释放出来,以维持大气中CO2的平衡。洋壳主要由玄武岩组成,一般经热液改造后的洋壳含有一定数量的碳酸盐(质量分数大约为3％),而这些以脉或角砾形式存在的碳酸盐是碳沉淀的一个巨大储库。这些碳酸盐化的玄武岩在俯冲带背景下经历高压变质作用,相应地形成了碳酸盐化榴辉岩。碳酸盐化榴辉岩的部分熔融形成的熔体和气体对于弧岩浆的生成、CO2去气都有非常重要的作用,从而对整个碳循环研究具有重要的意义。文中较全面地总结了近年来,在不同的超高压变质地区发现的碳酸盐化榴辉岩的岩石学和野外产状特征,对比经热液改造的玄武岩 碳酸盐体系的高温高压岩石学研究取得的进展,明确了在俯冲带变质过程中碳酸盐与榴辉岩质硅酸盐体系是如何发生变化的,并对于NCFMASH+CO2体系的热力学相平衡计算的研究进展展开了讨论,对于探讨碳的深部循环过程具有重要意义。     

大陆俯冲带流体活动:超高压变质岩矿物水含量和稳定同位素制约

对超高压变质岩中含水矿物和名义上无水矿物的地球化学研究,极大地深化了我们对大陆碰撞带地壳俯冲和折返过程中流体体制的认识。就流体体制和化学地球动力学来说,有关研究在大别-苏鲁造山带进行的最为详细,因此已经成为研究大陆俯冲带变质的典型地区。本文以大别-苏鲁造山带为对象,从矿物水含量的角度,结合稳定同位素论述了大陆俯冲带流体活动。超高压变质岩中名义上无水矿物含有大量的水,以结构羟基和分子水形式存在。名义上无水矿物中结构羟基和分子水出溶与含水矿物分解共同构成了折返过程中退变质流体的主要来源。名义上无水矿物所释放的水以富集轻的氢氧同位素为特征,而含水矿物分解则提供了富集D的流体来源。折返过程中,名义上无水矿物降压脱水存在亏损D的分子水的优先丢失和不同形式水之间的相互转化。不同岩性的水含量差异导致了它们在折返过程中不同的流体活动行为。大陆板块俯冲和折返过程中,在不同矿物、不同岩性以及板片不同部位之间存在水的再分配;板片的一部分作为富水流体的源,而另一部分可能作为汇。