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无水条件下碳酸岩浆形成的 P - T 条 件
孙文礼1 ,马玉鑫1
,益2 ,张国瑞1 ,胡振兴1 ,硕1
,李继勇
1
( 1. 兰州大学地质科学与矿产资源学院,甘肃 兰州 730000; 2. 中国地质大学,北京,
100083) 摘 要: 碳酸岩是一种浅灰色至灰白色的富含碳酸盐矿物 ( > 50% ) 的火成岩石。碳酸岩浆在地幔环境和地壳环境 下均可形成。根据最近几十年有关碳酸岩浆形成的实验和地质观察,总结了无水条件下碳酸盐化橄榄岩发生部分 熔融形成碳酸岩浆的 P - T 条件和碳在地幔中的赋存状态。 关键词: 碳酸岩浆; 幔源; P - T 条件 中图分类号: P581
式存在俯冲洋壳中,所以,在数亿年时间尺度上,俯 冲板块完全有可能会将相当数量的碳从地表带入地 幔[13]。据估 算,俯冲大洋地壳每年可将 2. 3 × 1012
~ 3. 7 × 1012 摩尔碳带入地幔[14,15],现地幔中可能含
有 1022 - 23
g C [13]。但是碳在地幔中的含量较低,如
碳酸岩是一种浅灰色至灰白色的富含碳酸盐矿 物( > 50 % ) 的火成岩石,是最富含不相容元素 ( 如
REE ) 的 火 成 岩。O l do i ny o L e n ga i 是 地 球 上 惟 一 活 动的碳酸岩火山
[1]
,最古老碳酸岩是格陵兰西部的
Tu pe r t a li k ( 3. 0Ga ) [2]。已有大量的文章探讨了碳酸 岩在指示地幔流体的性质、地幔交代作用、壳幔相互 作用等方面的特殊性与重要性
[3 - 7]
。本文根据最近
论语原文岩石实验学的研究成果,总结了碳在地幔中的赋存 形式和无水条件下碳酸盐化榴辉岩部分熔融形成碳 酸岩形成的 P - T 条件。
- 6[16]
大洋中脊下的地幔约含 CO 2 ( 50 ~ 2000) × 10 ,
- 6[17 - 19]
岛弧下的地幔约含 CO 2 ( 1000 ~ 4000) × 10 ,
因为碳 在 地 幔 中 溶[20,21]
,如 地 幔 橄榄岩可溶解的
- 6[20]
CO 2 不足 5 × 10
,所以碳在地幔中以副矿物的
形式在于矿物的裂隙及矿物与矿物之间的缝隙中,
此外也可以以包裹体的形式存在于矿物颗粒中[22]
乘车安全
。
氧逸度主要控制了地幔中碳以氧化形式即活动性的
碳酸盐 / 碳酸岩形式存在,还是以还原形式即非活动 1 碳在地幔中的赋存形式
相平衡 实 验
[8 - 10]
和热动力学计 算[10 - 12]
表 明,
[23]
性的 石 墨 / 金刚石形式而存在 ( 如 图1 所 示 ) ;
温
在浅部脱水和含水熔融过程中碳依然以方解石的形
图 1 碳在地幔中赋存状态、地幔氧逸度以及氧缓冲能力
注: ( a ) 地幔中可能形成碳酸岩浆的位置,
( b ) 含碳副矿物在地幔中随着深度增加的变化,( a ) 和 ( b ) 修 编 自 Dasgupta 和 H i r sc hm a nn ( 2010) ,( c ) 、( d ) 、( e ) 分别表示 250km 金属饱和时上地幔中的含碳副矿物的形式 ( > 8GPa 后含碳副矿 物 为 金 刚 石 / 富铁合金( Fe - r i c h a ll o y ) / Fe - m e t a l ca r b i d e ) 、地 幔 氧 逸 度 ( 红 色 线) 、氧 化 缓 冲 能 力 ( 蓝 色 线) 示 意 图,( d ) 和 ( e ) 修 编 自
基金项目: 本文受地质调查局地质大调查项目( 1212011121092) 和( 1212011220928) 资助。
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第 13 期 孙文礼等: 无水条件下碳酸岩浆形成的 P - T 条件 31
度主要控制碳酸盐的溶解和熔融,碳酸盐固相之间 的多相转变主要受压力控制,随着压力增高,碳酸盐 中 Ca 含 量 越 来 越 低,M g 含 量 越 来 越 高,如 在 2 ~
4GP a /60 ~ 120km 范围内稳定碳酸岩矿物主要是白 云石
[24 - 27]
。而在 > 4 ~ 5GP a / > 120 ~ 150km 范围内
稳定碳酸岩矿物主要是菱镁矿[27 - 30]
,但是在大洋地
幔的浅部因为温度高所以碳主要溶解在熔体或流体
中,而不是以稳定碳酸岩矿物存在
[23,31]
。天然橄榄 岩包体研究表明,地幔氧逸度随压力升高而降低,所
以深部地幔 中 ( 还 原 环 境) 碳 主 要 以 金 刚 石 或 石 墨 的形式存在。人们以前普遍认为金刚石来自转换带 或者更深地幔,但最近研究表明 Fe - Ni 合金可能在 上地幔就达到的饱和 ( 150 ~ 250km ) [32]
。如 果 F e
女孩教育金属富集,那碳将以石墨 / 金刚石、合金元素或碳化
物形式存在
[33 - 36]
,具体以何种形式 存 在,取 决 于 铁
碳比值。因此随着深度增加,赋碳的典型副矿物依 次变化为流体 / 熔体→方解石 / 白云石→菱镁矿→金 刚石 / 富铁合金 / 含铁碳化物
[13]
。
辉岩捕虏体 + 5% CO 2 为初始物质,研究 2 ~ 8. 5GP a 下的固相线附近的相变与熔融关系。实验显示该体
系的固相线温度在 2GPa 时低于实验温度 950℃ ; 当 压力为 2 ~ 3GP a ,碳酸盐矿物主要是方解石和白云 石; 3. 3 ~ 4. 5GP 下主要碳酸盐矿物是白云石,岩浆 成分主要是白云 质; > 5GPa 时,白
云石消失且白云 质岩浆与菱镁矿共存。该 体 系 在 2 ~ 2. 5GPa 之 间 只形成二氧化碳气体,而没有碳酸岩浆,而当压力分 别为 3. 0GP a 、3. 3GP a 、4. 1GP a 、5. 1GP a 、7. 0G Pa 和 8. 5GP a 时,其 固 相 线 温 度 分 别 为 ~ 1058℃ 、~ 1043℃ 、~ 1050℃ 、1030℃ 、~ 1015℃ 和 ~ 1245℃ 。 Dasgupt 进一步提出碳可以俯冲 ~ 400km 并 在 转 化 带顶部可形成碳酸岩浆。同时 Dasgupt 指出碳酸化 榴辉岩不是大洋碳酸岩浆的主要源区物质而是大陆 碳酸岩浆的主要源区组成。三个独立的实验所得固
相线的位置和形态差别非常大,
D asg u p t a 等[25]指出 这是因为他们所采用的实验初始物质组成不同 ( 如 C a # ,NaO 、CO 含量等) 。
2 D asg u p t a 等[25] 指出高温条件下 Dasgupt 等 2 碳酸盐化榴辉岩固相线
碳酸盐化榴辉岩是超高压条件下含二氧化碳 ( 2004) 的固 相 线 比 Y a x l e y 和 B r e y ( 2004 ) 和 H a m - mouda ( 2003) 的固相线更可靠,H a mm o u da ( 2003 ) 低温固相线在压力大于 6. 5GPa 可 能 并 不 正 确,需
要进一步 实 验 证 明。L i t aso v 和 Oht a n i [30]
研 究 了 碳 酸盐化榴辉岩( 含 5 w t . % CO 2 ) 在 CMANS - CO 2 系 统中的熔融,指出深部地幔条件下 ( 10. 5 ~ 32GP a ) 碳酸盐化橄榄岩部分熔融可以形成碳酸岩浆。实验 所得的固相线数据为 10. 5GP a /1380 ~ 1460℃ ,16. 5 ( < 2% ~ 3% ) 的变基性岩[26],主要由石榴子石、斜 方辉石、Ti 氧 化 物、碳 酸 盐和其他少量矿物组成。 无论初始物质是自然岩石 ( 玄武岩、榴辉岩) 加碳还 是人工合成的与前者成分相当的熔融实验体 系
[25,26,37,38]
,实验均表明,碳酸盐化榴辉岩部分熔融 可
以形成碳酸岩浆。
Hammo uda [38] 通过玄武岩和方解石混 合 物 ( 89. 9% 的 玄 武 质 玻 璃 + 10. 1% 钙 质 碳 酸 盐 + 0. 12% 水) 的高压 试 验 ( 5 ~ 10GPa ) 发 现: 当 压 力 为
5GPa ,温度在 1100 ~ 1150℃ 时,碳酸盐开始分解,同 时形成硅酸盐熔体; 当压力大于 6. 5GPa 时,只有碳 酸岩浆形成且固相线温度低于 1000℃ 。因 为 固 相 线温度低于热俯 冲 环 境 温 度,所 以,Hammouda 认 为,碳在 300km 深度以内已经与俯冲板块发生了分 离,所以,碳不可能随着俯冲进入转换带和下地幔。 GP a /1460 ~ 1560℃ ,20G P a /1530 ~ 1630℃ 和 27、 32GP a /1
600 ~ 1790℃ 。Keshav 等 研 究 了 CM AS - CO 2 在 12 ~ 25GPa 下的熔融,得出碳酸化榴辉岩经
部分熔融 可 形 成碳酸质的熔体。同时他们给出了 12GPa 、14GPa 、16G Pa 、20G Pa 和 25G Pa 下 的 碳 酸 化 榴辉岩部分熔融公式。 图 2 是含 5 w t . CO 2 榴辉岩在 2 ~ 8. 5GPa 和 % 10 ~ 32GPa 的 固 相 线。 D asgupta 等[25] 指 出: 2 ~
3G Pa 时,固相线以下矿物组合为钛铁矿 ± 方解石 - Y a x l e y 等[37]研究了 S i O – Al O – MgO – FeO – 白云石固溶体 ± CO ,然而在固相线之上出现了方
2 2
3 2 解石 - 白云质流体; 3 ~ 4. 5GPa 近固相线熔体逐渐 变成白 云 质 熔 体; > 4GP a ,菱镁矿成为固 相 线 下 稳 定碳酸盐矿物。随着熔融程度的增加,熔体组分逐
渐变成硅酸质。D asg u p t a 等[27]描述了 3GPa 下此类 CaO – N a 2 O – CO 2 体 系 ( CO 2 含 量 约 为 15% ) 在 2. 5 ~ 5. 5GPa 条件下的相变和熔融关系。实验显示 该体系分别在 2. 5GP a / ~ 1125℃ 、
3. 5GP a / ~ 1225℃ 和 5. 0GP a / ~ 1310℃ 发生熔融形成含钠富钙白云质 熔体。通过 N a 2 O
含量不同的 EC1
( 0. 87% ) 和 EC2 ( 4% ) 熔体对比,他们指出碳酸岩浆中 Na 含量随着 压力的增 加 而 降 低。Dasgupta 等
[25]
以 夏 威 夷 的 榴
[30]
碳酸化榴辉岩熔融的过程。L i t aso v 和 Oht a n i 指
出碳酸盐化榴辉岩在 10. 5 ~ 2. 0GPa 范围内部分熔
融可形成镁质碳酸岩。随着压力的增加,与熔体平
甘 肃 科 技 第 30 卷
32
衡的硅酸盐矿物组合为: 石榴子石 + 绿辉石 + 蓝晶 石 + 超石 英 ( 10G Pa ) → 石 榴 子 石 + 刚 玉 + 超 石 英
( 16 ~ 20GPa ) → 含 Mg 钙钛矿 ( Mg – pe r o v s k i t e ) + 钙钛矿 + CF 相 + 超石英( 27 ~ 32GPa ) 。
360宝库图 2 榴辉岩 + 5% CO 2 固相线在 CMA SN - CO 2 系统中的示意图
注: 2 ~ 8. 5GPa 的蓝色线固相线来自 Dasgupta 等( 2004) ,10 ~ 32GPa 的红色固相线来自 L i t a so v 等( 2010) ,平均地幔温度 ( Average m a nt l e ) 来自 Ak aog i 等( 1989) ,大洋地幔温度( O cea n i c geotherm ) 来自 M c K e n z i e and B i c k l e ( 1988 ) ,热 俯 冲 温 度 ( H o t s ubdu c t i
o n ) 来自 B i n a 等( 2001) ,Coes ( 柯石英) ,St ( 超石英) 分别代表 S i O 2 在其过饱和体系中的变质相。 [8] M o li n a J F ,
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