塞拉尔岛（佛得角）橄榄岩中保存的海洋上地幔碳富集过程

《Geoscience Frontiers》：Carbon enrichment processes in the oceanic upper mantle preserved in peridotites from Sal Island (Cape Verde)

碳酸盐熔体对加那利群岛地幔变质的贡献及热力学演化研究

　　### 对加韦尔岛下方地幔碳富集过程的科学解读

在地球科学领域，碳的分布与迁移是理解地幔演化和地表地质过程的关键因素之一。本文通过研究加韦尔岛（Sal Island）地幔橄榄岩中的矿物学和地球化学特征，揭示了地幔中碳富集的机制及其与地幔交代作用之间的关系。研究结果显示，地幔橄榄岩表现出高度的化学异质性，包括具有超贫化特征的橄榄石（olivine）和富碱性、富含铝和挥发性成分（如氯、硫、氟、氮、磷）的富集橄榄石（spinel lherzolites）。这些发现为我们理解地幔中碳的来源、迁移路径以及地幔交代作用对地壳的再富集过程提供了新的视角。

### 研究背景与重要性

地球的地幔中储存了比地表所有碳库多10到14倍的碳，这对全球碳循环的长期演化具有重要影响。碳的输运和固定会影响地幔的物理性质、地幔熔融的起始以及火山活动中的CO?释放。因此，了解碳在地幔中的行为及其迁移机制，是研究地球内部物质循环的重要课题。加韦尔岛位于大西洋中央，其下方的地幔被认为是研究海洋地幔碳富集的关键区域。近年来，加韦尔岛的原始岩浆显示出极高的CO?含量（高达2.0-2.7 wt%），且在该群岛的六座岛屿上发现了相对较大的侵入和喷出碳酸岩。这些现象表明，加韦尔岛地幔可能具有丰富的碳源。

### 研究方法与样本分析

研究团队对加韦尔岛的橄榄岩样本进行了详细的矿物化学、热力学和流体/熔体包裹体分析。他们通过高精度电子显微镜和五波长能量色散光谱技术（WDS）分析了矿物和玻璃的主要和微量元素。此外，还使用拉曼光谱技术研究了包裹体和玻璃微脉中的矿物成分。研究结果显示，橄榄岩和正长石中存在复杂的矿物反应和熔体包裹体，其中一些包含碳酸盐矿物和CO?流体。这些包裹体的化学组成和矿物学特征表明，它们可能来源于富碳熔体的捕获。

### 矿物化学与包裹体分析

研究发现，橄榄岩和正长石中存在两种主要类型的熔体包裹体：类型I和类型II。类型I包裹体包含硅酸盐玻璃和碳酸盐矿物，与CO?富集的流体共存。这些包裹体显示出较高的碱金属（如K和Ti）含量，表明它们可能来源于富碳酸盐沉积物或碳酸盐榴岩的熔融产物。类型II包裹体则主要存在于残余正长石中，显示出更复杂的矿物组合，如磷灰石、橄榄石、铬尖晶石和碳酸盐矿物的缺乏，表明这些包裹体可能经历了更高级的交代作用，导致挥发性成分的释放。

### 地幔热力学与压力条件

通过热力学和压力计算，研究团队确定了橄榄岩和反应冠（reaction coronae）的等温等压条件。这些条件表明，橄榄岩在950-1060°C和66-106 km深度（对应压力约为2.2-3.5 GPa）达到平衡。反应冠则显示出更高的温度，可能达到1200°C，这表明它们可能与更深层的地幔过程有关。这些数据支持了富碱性硅酸盐-碳酸盐熔体从地幔底部渗透到地壳的理论。

### 地幔交代作用与碳酸盐富集

研究团队通过分析橄榄岩和正长石的矿物组成，发现地幔交代作用在加韦尔岛下方的橄榄岩中非常显著。这些交代作用可能由富碳酸盐熔体引起，这些熔体富含碱性元素、铝和挥发性成分。这些熔体可能来源于回收的古老俯冲洋壳和沉积物，其与橄榄岩发生反应，形成反应冠和碳酸盐微脉。这些微脉的化学特征表明，它们可能来源于碳酸盐熔体的淬火产物，显示了地幔中碳酸盐富集的过程。

### 地球化学证据与碳循环

研究还发现，加韦尔岛的岩浆具有重的碳同位素特征（如Fogo岛的δ13C值高达-0.4‰），这表明这些岩浆可能受到碳酸盐沉积物的影响。此外，最近的钙同位素数据也支持这一观点，显示了碳酸盐熔体对地幔的贡献。这些地球化学特征表明，加韦尔岛下方的地幔可能是一个混合的碳库，包含了原始和回收的碳成分。

### 碳酸盐熔体的来源与演化

研究指出，加韦尔岛下方的碳酸盐熔体可能来源于深部地幔中的碳酸盐沉积物和碳酸盐榴岩。这些熔体在上升过程中经历了不同的交代作用，导致其成分的变化。例如，类型I包裹体显示出较高的K?O和Na?O含量，而类型II包裹体则显示出K?O的显著增加和Na?O的减少，这可能反映了熔体在上升过程中经历了碳酸盐和磷酸盐的结晶。这些变化表明，碳酸盐熔体在地幔中的演化可能受到地壳和地幔相互作用的影响。

### 地球动力学与碳酸盐富集

研究还探讨了加韦尔岛下方地幔中碳酸盐富集的地球动力学机制。自新元古代以来，加韦尔岛所在的西非克拉通边缘经历了多次俯冲和碰撞事件。这些事件可能将碳酸盐成分带入地幔，并在地幔底部形成富碳酸盐的熔体库。这些熔体在地幔上涌过程中可能与地壳发生交代作用，导致碳酸盐的再富集和迁移。研究团队通过对比不同深度的矿物组成，认为这些富碳酸盐熔体可能在地幔底部形成，并在上升过程中发生分化，最终形成富碳酸盐的岩浆。

### 结论与未来研究方向

本文的研究表明，加韦尔岛下方的地幔是一个复杂的碳库，其碳富集过程与深部地幔的交代作用密切相关。通过分析橄榄岩的矿物组成和熔体包裹体，研究团队揭示了碳酸盐熔体在地幔中的来源、迁移路径及其对地壳的再富集作用。这些发现不仅加深了我们对地幔中碳循环的理解，也为未来研究碳酸盐熔体在地幔中的演化提供了重要的参考。进一步的研究可以结合更广泛的地球化学和地球物理数据，以更全面地理解碳酸盐在地幔中的作用及其对全球碳循环的影响。