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最近的研究表明，俯冲的富钙碳酸盐可以溶解在板块来源的流体中，并向上迁移进入浅部地幔楔（75-120 km），而富镁碳酸盐可以进入更深处（即地幔过渡带，~410 km），并发生熔化进入对流的上地幔。然而，富镁碳酸盐岩是否能进入俯冲带流体中并进入深部地幔楔（>120km）中仍然未知，如果这是真的，将对示踪深部碳的循环问题具有非常重要的意义。本文报道了大别造山带毛屋超镁铁质岩体（古老地幔楔片）中石榴单斜辉石岩的矿物学、地球化学、稳定同位素（Mg和O）和放射成因同位素（锆石U-Pb）的综合研究。全岩和矿物微量元素特征以及锆石U-Pb年龄结果揭示了毛屋石榴单斜辉石岩是受到俯冲的含金红石榴辉岩相古特提斯洋壳的部分熔融形成的熔体或超临界流体交代的产物。随后，该交代地幔楔在华南和华北地块之间的三叠纪碰撞期间发生了俯冲超高压变质作用。结合前人的研究结果，以及全岩和交代锆石中高的Th/U比值，缺少振荡分带，可以推测在峰值变质温度-压力条件下（5.3-6.3gpa和~800°C）大洋俯冲板片来源的交代介质是超临界流体而不是熔体（160~190公里）。丰富的碳酸盐矿物包裹体（包括方解石、白云石和菱镁矿）和交代锆石高的δ18OVSMOW值（高达12.2‰），表明超临界流体溶解了大量的沉积碳酸盐岩。此外，全岩具有明显低于正常地幔值（-0.25±0.07‰）的δ26Mg值（-0.99‰-0.65‰），意味着溶解碳酸盐不仅含有方解石，而且还含有一定量的白云石（约占交代超临界流体的1-10 wt.%）。因此，俯冲板块来源的超临界流体中溶解的富镁碳酸盐可以有效地改变深部地幔楔的镁同位素组成。我们的研究是对板块俯冲过程中碳酸盐行为的理解有着重要意义。

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图1：毛屋石榴石单斜辉石岩(GC)全岩Th、U、ΣLREE含量与Mg#值的关系(a, b, c)。 具有具有最高 Mg#的[00MW-2 和 00MW-2(re) 的两个样品 具有最富集的 Th、U 和 ΣLREE。 图 (d) 中的原始地幔归一化蜘蛛图显示了来自毛屋超高压变质的 超镁铁质岩体的石榴单斜辉石岩、石榴斜方辉石岩、石榴二辉岩 和方辉橄榄岩之间的微量元素差异。 MW GO，石榴石维斯特石和哈兹伯格石的痕量元素数据来自Chen等。 (2017) 和 Jahn 等人。 （2003）。 图 (e) 和 (f) 显示了所研究 GC 的 Th/U 比与 La/Yb 和 Nb/Ta 比。(a)-(c)、(e)和(f)图中灰色方块是Lee et al. (2006), Wang et al. (2001) 和 Xu (2002)来源的具有结晶/堆积成岩作用的地幔辉石岩。原始地幔 (PM) 值来自 McDonough 和 Sun (1995)。
图2：(a)大别-苏鲁广泛分布的榴辉岩 (DE) 和毛屋石榴辉石岩中全岩和单矿物 δ26Mg 与 MgO (wt.%)相关图 (Li et al., 2011; Wang et al., 2014b)。灰色条代表地幔和海岛玄武岩 (OIB) 的平均镁同位素组成 (δ26Mg=-0.25±0.07‰, 2SD, Teng et al. 2010)。 (b) 根据 Mg/Ca（摩尔比）和 δ26Mg 对不同来源的混合建模。假设地幔初始δ26Mg为-0.25‰，MgO=38 wt.%，CaO=3.8 wt.%。假设石灰岩和白云岩的初始化学成分分别为 Mg0.001Ca0.999CO3 和 Mg0.5Ca0.5CO3，初始 δ26Mg=-4.00‰ 和 δ26Mg=-2.50‰（Teng, 2017 及其中的参考文献）。在 6 Gpa 和 800° 条件下，估计板块来源超临界流体的成分与实验超临界流体的成分相似（MgO=0.68 wt.% 和 CaO=1.93 wt.%，H2O 含量为 72.6 wt.%）（Kessel et al., 2005）。在此计算过程中，扣除了水含量。假定此类介质的 δ26Mg 值等于变质脱水流体和花岗岩熔体，其具有类似地幔的 δ26Mg 值-0.25‰ （Liu 等，2010；Wang 等，2014b）。超临界流体 (S) 与地幔橄榄岩 (M) 混合的不同加权比 (S/M) 导致不同的 MgO 和 CaO 含量以及 Mg/Ca 比，但交代地幔中的 Mg 同位素组成不变。白云岩和石灰岩的加入使交代地幔的镁同位素组成沿不同的曲线移动；前者对交代地幔的轻镁同位素组成影响更明显。虚线表示使用不同质量比的白云石/（超临界流体 + 橄榄岩）的混合线。
图3：（a）锆石206Pb/238U年龄与Th/U比值图显示，Th/U比值高的I型锆石域具有较大的年龄变化，而Th/U比值低的II型锆石域产生集中的三叠纪年龄。（a）中的黑线显示Th/U=0.1的临界值。图（b），锆石206Pb/238U年龄与O同位素对比图，显示I型锆石域和II型锆石域都具有较大的δ18O变化分别为4.3‰-12.2‰和3.9‰-9.2‰。（b）中的灰色区域表示δ地幔锆石平均18O值（5.3±0.3‰，Valley，2003）。
图4：（a）和（b）分别显示了毛屋GC中I型和II型锆石的阴极发光（CL）图像，结合原位206Pb/238U年龄、O同位素组成和矿物包裹体。图（c）–（h）显示了I型锆石域中碳酸盐矿物包裹体的拉曼光谱，可以观察到白云石（1098 cm-1）、菱镁矿（1095 cm-1）和方解石（1085 cm-1）的拉曼位移。此外，I型锆石域中的硅酸盐矿物包裹体如补充图S7所示。图（d）和（f）显示了I型锆石中保存的多相固体包裹体的显微照片。II型锆石域中硅酸盐矿物包裹体（石榴石、单斜辉石和金红石）的拉曼光谱显示在面板（i）–（k）中。Cal-方解石、Dol-白云岩、Mag-镁菱镁矿、Gt-石榴石、Cpx-单斜辉石、Rt-金红石、Zrn-锆石、Qz-石英、Chl-绿泥石。
图5：(a) 围岩副片麻岩中两个石英榴辉岩 (99MW-2, 3) 的 锆石U-Pb协和图。 206Pb/238U-207Pb/235U 图分别给出了 737±27 Ma 和 228±34 Ma 的上下截距年龄。图(b)中锆石221 Ma和236 Ma的两个年龄峰值可能反映了大陆地壳俯冲三叠纪不同阶段的变质作用。 (c) 来自四个毛屋石榴单斜辉石岩（11MW-1、11MW-3、11MW-8 和 00MW-2）的 I 型交代锆石域的锆石 U-Pb 定年结果的 协和 图。 207Pb/206Pb-238U/206Pb 图分别显示了上下截距年龄分别为 457±55 Ma 和 232.8±7.9 Ma。 II型锆石域的年龄范围为215.1-265.1 Ma，加权平均年龄为230.7±2.2 Ma（n = 67，MSWD = 6.5），与直方图中显示的232 Ma的平均年龄相似（ d）并可能记录了在三叠纪期间俯冲的陆壳不断释放的变质流体的影响。
图6：来自毛屋石榴单斜辉石岩中的I型和II型锆石的氧同位素组成，以及来自围岩中石英榴辉岩的锆石核和边的氧同位素特征。 作为比较，大气水的 δ18OVSMOW 值 (Craig, 1961)、来自大别-苏鲁 UHPM 岩石的锆石 (Chen et al., 2011; Zheng et al., 2004)、火成岩 (Taylor, 1968)、碳酸岩化榴辉岩 ( Wang et al., 2014a) 和沉积碳酸盐岩 (Shields and Veizer, 2002) 。 灰色条代表地幔锆石的 δ18O 值。
图7： 毛屋石榴单斜辉石岩全岩δ18Oi和δ26Mg图，指示这些同位素特征有可能是由交代作用产生的，而不是动力扩散作用，其中δ18Oi值代表了三叠纪变质作用之前的全岩同位素组成。考虑到低 δ18O 三叠纪变质流体的影响，δ18Oi 值根据以下关系计算： Δ18O(Zrc-WR) = δ18O(Zrc)- δ18O(WR)≈ -0.0612(wt.% SiO2)+2.5，根据 Valley et al. (2005)计算获得。这里有一个基本假设，即交代锆石与其他共存矿物处于 O 同位素分馏平衡，因为它们在古生代至三叠纪的地幔楔中长期保留，且单个样品中锆石最重的 O 同位素被用来估计 δ18Oi 。地幔和沉积碳酸盐的 Mg 和 O 同位素组成来自 Shields 和 Veizer (2002)、Valley (2003)、Teng et al. (2010) 和Teng (2017)。渗滤流体的变化根据 Huang et al. (2010) 和 Pogge von Strandmann et al. (2015)等工作。 δ26Mg误差为2SD，δ18Oi 的误差为 Cameca O 同位素分析的传递误差1σ。
图8：俯冲带中镁同位素系统的图示，其中有三个阶段的碳酸盐从俯冲板片释放并输入不同深度的上覆地幔：（1）在浅弧深（75公里至120公里），俯冲大洋板块的脱水将主要富含钙的碳酸岩成分（方解石）转移到地幔楔中； (2) 在深弧深（约~160 km），俯冲大洋板块的脱水或部分熔融可促进富镁碳酸盐（白云石、菱镁矿）并入地幔楔； (3) 在地幔过渡带，俯冲大洋板块与剩余的富镁碳酸盐直接部分熔融，产生进入上覆地幔的碳酸岩熔体。三个阶段的碳酸盐释放构成了俯冲带中必不可少的碳循环结构。结合俯冲大洋板块可变的镁同位素组成，交代地幔楔和相关的弧形熔岩和板内玄武岩中的镁同位素特征在每个阶段都是不同的。数据来源：新鲜MORB和新鲜地幔橄榄岩（Teng et al., 2010）、蚀变MORB、蚀变深海橄榄岩、浅弧型玄武岩、浅亚弧橄榄岩、沉积粘土和碳酸盐岩（Teng et al., 2016和参考文献; Teng et al., 2017; Li et al., 2017）； 深部弧下地幔包体数据（本工作），板内玄武岩（Huang et al., 2015; Li et al., 2017; Wang et al., 2017） , 2016a; Yang et al., 2012)，板内地幔捕虏体（Hu et al., 2016; Wang et al., 2016b）。
表1：毛屋石榴石单斜辉石岩和石英榴辉岩样品、以及标样的主要 (wt. %) 和微量元素 (ppm) 浓度。
表2：毛屋石榴单斜辉石岩和石英榴辉岩中石榴子石的主、微量元素组成。
表3：毛屋石榴单斜辉石岩和石英榴辉岩中单斜辉石的主、微量元素组成。
表4：毛屋石榴单斜辉石岩和石英榴辉岩中金红石和钛铁矿的主、微量元素组成。
表5：毛屋石榴单斜辉石岩和石英榴辉岩锆石Cameca U-Pb定年及氧同位素组成。
表6：毛屋石榴单斜辉石岩和石英榴辉岩全岩和单矿物的Mg同位素组成。

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沈骥. (2021). 富Mg碳酸盐俯冲进入深部地幔楔. 时空三极环境大数据平台, DOI: 10.1016/j.epsl.2018.09.011.
[Shen, J. (2021). Subducted Mg-rich carbonates into the deep mantle wedge. A Big Earth Data Platform for Three Poles, DOI: 10.1016/j.epsl.2018.09.011. ] (下载引用： RIS格式 | RIS英文格式 | Bibtex格式 | Bibtex英文格式 )

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资助项目

燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应(2016YFC0600400) (项目编号:2016YFC0600400) Deep processes and resource effects of major geological events during the Yan Mountains period

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