再循环沉积碳酸盐引起深部地幔氧化和金刚石形成

2021.2.27

　　碳酸盐是地表主要氧化态碳的储库之一。硅酸盐地壳通过一系列水-岩反应将海水中的 CO2以碳酸盐形式固定在大洋板片中(Plank and Langmuir, 1998; Alt and Teagle, 1999)，然后伴随俯冲作用进入深部地幔(Plank and Manning, 2019)。据估算，全球尺度每年有40 - 66 Mt（百万吨）碳进入俯冲带，其中部分碳可能会随着俯冲脱碳作用(Ague and Nicolescu, 2014; Thomson et al., 2016)、岩浆作用(Yaxley et al., 2019)、扩散作用(Barry et al., 2019)重新返回地表。而其余部分会伴随俯冲作用进入深部地幔，与深部地幔还原性物质相互作用产生大量榴辉岩型金刚石(Deines, 2002; Cartigny et al., 2014)，并造成地幔岩石C、O、Mg等同位素的不均一性(Deines, 2002; Li and Wang, 2018)。因此，深俯冲的碳酸盐可能是氧化深部地幔的重要介质。但目前，还没有太多工作聚焦讨论深俯冲碳酸岩对深部地幔氧化还原环境的影响。

　　深部地幔高温和高压条件下，氧化还原环境（即氧逸度，ƒO2）显著影响流体、熔体以及固体矿物的物相组成和物理化学属性(Frost and McCammon, 2008)。目前主流观点认为地幔250 km以下氧化还原环境主要受控于金属铁的形成，其氧逸度将低于饱和金属缓冲线（ƒO2< IW buffer）(Rohrbach et al., 2007)。然而，最近研究发现：来自上地幔底部以及转换带的超深金刚石包裹了富含Fe3+的石榴石包体（0.08 < Fe3+/∑Fe < 0.30）。并且，包体记录的氧逸度随深度增加而不断升高，从IW+0.26升高到IW+3 (Kiseeva et al., 2018)。相似的，我们在华北克拉通丰镇火成碳酸岩地幔榴辉岩包体中也发现了极富Fe3+的超硅石榴石(Fe3+/∑Fe = ~ 0.8)矿物包体(Xu et al., 2017)。这些岩石学观测证据暗示深部地幔氧逸度是明显不均一的。此外，最新研究显示，全球尺度地幔柱玄武岩(Moussallam et al., 2019)以及中国东部一些板内玄武岩(Erdmann et al., 2019; Hong et al., 2020; He et al., 2020)也记录了较高的氧逸度水平。这从另外一方面说明深部地幔具有明显不均一的氧化还原环境。

　　俯冲物质的氧化还原交代作用是导致地幔氧化的重要过程之一。前人已经做了大量关于俯冲物质对浅部地幔楔氧化还原影响的岩石地球化学示踪工作。但是，目前学界对造成地幔氧化的俯冲传输介质依然存在较大的争议(Kelley and Cottrell, 2009; Debret et al., 2014; Rielli et al., 2017; Tollan, 2019)。至今，俯冲板块的氧逸度演化过程及其对地幔楔氧化还原状态的影响依然是固体地球科学领域争论的焦点，尤其是与地幔柱和板内岩浆作用相关的大地幔楔氧化还原过程。在最新工作中，我们设计并开展了一系列高温高压实验，研究深俯冲碳酸盐对深部地幔氧化还原状态的影响。我们研究了不同碳酸盐矿物（CaCO3、MgCO3和FeCO3）和含Fe(II)硅酸盐矿物（Fe(II)-石榴石和铁铝榴石）在俯冲带高压和高温条件下发生的氧化还原反应。结果表明，只有CaCO3可以将深部地幔Fe(II)-橄榄石和Fe(II)-石榴石氧化成富Ca，Fe(III)石榴石，并生成石墨/金刚石。实验产物中合成石榴石中的Fe(III)含量随压力的增加而增加。更有意思的发现是，实验合成石榴石以及天然超深金刚石包裹石榴石的Fe3+/∑Fe和Ca#=Ca/(Ca+Mg+Fe2+)表现出非常好的线性相关性（图1）(Tao and Fei, 2021)。

　　图1  实验合成石榴石以及天然超深金刚石包裹石榴石的Fe3+/∑Fe和Ca#表现出非常好的线性相关性

　　我们的实验表明，俯冲输送的碳酸盐中的+IV价碳在地幔被还原成0价的石墨/金刚石，同时会导致深部地幔含Fe(II)物质的氧化。由此我们提出，深俯冲的沉积碳酸钙可以通过氧化还原反应提高深部地幔矿物总的三价铁含量，从而影响地幔氧化状态（图2）(Tao and Fei, 2021)。我们的实验结果可以用于建立统一的模型解释“超深”钻石中广泛发现的方解石（CaCO3）、CaFe（III）石榴石、CaSiO3相等包体，同时也为解释地幔柱和部分中国东部板内玄武岩记录的高Fe3+含量和高氧逸度环境提供了新的视角。

　　图2 沉积钙质碳酸盐氧化深部地幔矿物，并产生金刚石以及富Fe3+熔体的地质模型

　　 该文章发表在最新的一期Nature子刊Communication Earth and Environment上。高温高压实验模拟工作是文章第一作者陶仁彪博士（目前为北京高压科学研究中心研究员）在卡内基研究所费英伟研究员指导下完成。文章更多细节请见：https://www.nature.com/articles/s43247-021-00116-8