碳酸盐化岩浆深部演化调控洋岛玄武岩化学组成的机制研究

为解决洋岛玄武岩(OIBs)低SiO2 与低SiO2 /FeO特征的成因难题，中国科学院研究人员通过高压结晶与熔体-斜方辉石反应实验，揭示了CO2 参与下岩浆深部演化对OIBs化学组成的控制机制。研究发现，岩石圈底部>50%的高压结晶（石榴石与单斜辉石沉淀）结合碳酸盐溶解可显著降低熔体SiO2 含量（20-42 wt%）并提升FeOT （8-17 wt%），成功解释了全球碱性OIBs的化学多样性。该成果发表于《Nature Communications》，为地幔碳通量估算（20-170 Mt/yr）及板块内火山活动温度关联提供了关键约束。

　　

洋岛玄武岩(OIBs)作为板块内部火山活动的产物，其化学组成的多样性长期困扰着地球科学家。与成分均一的洋中脊玄武岩(MORBs)相比，OIBs以低SiO₂
(37-50 wt%)、高FeO^T
(8-17 wt%)为特征，传统模型难以解释极端贫硅(SiO₂
<42 wt%)与富铁特征的协同出现。更棘手的是，岩浆上升过程中与岩石圈地幔的熔体-斜方辉石反应(Opx assimilation)会进一步升高SiO₂
含量，使得碱性OIBs的成因机制成为未解之谜。

为破解这一难题，中国科学技术大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向长期被忽视的CO₂
在岩浆深部演化中的作用。通过创新性地结合3 GPa多砧高压结晶实验与1 GPa活塞圆筒反应实验，团队首次揭示了碳酸盐化岩浆在岩石圈底部演化过程中，如何通过矿物相变与流体行为重塑熔体化学组成。研究成果发表于《Nature Communications》，为理解地幔物质循环与全球碳预算提供了新范式。

研究采用两大关键技术：1）多砧高压装置模拟岩石圈-软流圈边界(LAB)条件（3 GPa/1150-1350°C），追踪碳化苦橄质熔体(CP-2含6.6 wt% CO₂
)的结晶分异过程；2）活塞圆筒装置实现熔体-斜方辉石反应实验（1 GPa/1200°C），量化浅部地幔交代作用。通过电子探针(EPMA)精确分析矿物-熔体成分，结合质量平衡模型构建了CF（结晶分数）-RF（反应分数）-CO₂
含量的参数化关系。

高压结晶对熔体成分的改造
在3 GPa高压下，碳化熔体结晶序列呈现显著特异性：单斜辉石(Cpx)与石榴石(Grt)作为液相线矿物优先析出，而橄榄石(OI)完全缺席。当结晶程度(CF)达80%时，熔体SiO₂
含量从初始42 wt%骤降至20 wt%，同时CO₂
浓度升至32 wt%。这种"双降机制"源于：1）富硅矿物(Cpx+Grt)的持续析出；2）碳酸根(CO₃
^2-
)溶解产生的稀释效应。经脱碳校正后，熔体标准化SiO₂
(X?_SiO2

)仍从45 wt%降至30 wt%，完美覆盖碱性OIBs的贫硅区间（图2）。

熔体-岩石反应的调节作用
1 GPa反应实验显示，原始熔体(CP-2)与高压衍生熔体(CP-2M)在吸收斜方辉石后，SiO₂
含量分别提升至48 wt%和50 wt%。但若熔体先经历深度结晶（如70% CF），反应后成分仍可保持SiO₂
<42 wt%的碱性OIB特征。这种"深部预调节"机制破解了熔体-岩石反应必然富硅的认知悖论（图2）。

全球OIBs的定量解释
参数化模型对全球OIB数据的反演表明：碱性OIBs普遍经历57-97%高压结晶和17-47%地幔反应，原始熔体含CO₂
1.9-4.9 wt%。值得注意的是，SiO₂
/FeO^T
比与结晶分数呈线性负相关（图4c），证实深部演化主导化学分异。大西洋低SiO₂
OIBs（如Trindade群岛）对应较低地幔潜在温度(T_p
)，因冷幔环境延长岩浆滞留时间，促进深度结晶。

碳循环启示
研究推算OIBs携带2-11 wt% CO₂
，据此估算板块内碳通量达20-170 Mt/yr，远超基于³
He的既往估值（36 Mt/yr）。这一发现暗示：1）地幔可能存在净碳流失（0-130 Mt/yr）；2）岩石圈可能是"隐藏碳库"。

该研究建立了"深部结晶-浅部反应-CO₂
调控"三位一体的OIB成因新模型，不仅解决了长期存在的地球化学难题，更将岩浆演化过程与全球碳循环直接关联。Junlong Yang等的工作证明，看似异常的岩石化学特征，可能正是理解地球深部过程的密码。