碳酸盐化地幔的部分熔融或源自地幔的硅酸盐熔体的不混溶作用所产生的碳酸盐熔体为深部碳循环的研究提供了更为直观的视角。前人的研究将一些碳酸盐熔体中的壳源地球化学信号归因于加入深部地幔的俯冲物质。然而，正如古诗中对石灰岩所描述的那样：“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲”，碳酸盐岩石的熔点非常高。高温高压实验表明，在俯冲板片顶部碳酸盐物质的熔融条件也高于板片的温压梯度，使得它们可以通过岛弧下的岩浆区域而被运送到地幔深处如过渡带的位置，在那里沉积碳酸盐的信号会被地幔物质所稀释，难以形成保留了显著沉积碳酸盐化学特征的碳酸盐熔体。因此，这些具有显著壳源信号的碳酸盐熔体的起源和形成机制需要进行更为深入的研究。

　　中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组汪程远博士、王煜研究员、徐义刚院士联合中国地质大学（武汉）刘勇胜教授、澳大利亚麦考瑞大学Stephen Foley教授，通过对远离俯冲带的燕山造山带内的新生代碳酸盐熔体侵入岩脉（图1）的分析讨论，为以上问题提出了全新约束。

图1. （a, b）华北及阳原地区地质构造单元及样品分布图。（c, d）碳酸盐熔体侵入岩脉BSE岩相图（Ap=磷灰石；Pl=斜长石；Kfs=钾长石；Qtz=石英；Pyx=辉石）

　　研究发现这些岩脉的地球化学特征与沉积灰岩高度相似，其中可以看到大量来自地壳基底的捕掳晶。结合这些碳酸盐侵入岩脉的Sr-Nd-C-O同位素特征（图2），研究人员认为它们和燕山造山带的地壳基底物质发生了同化混染，并伴随大量的CO₂脱气过程。

图2. （a, b）阳原碳酸盐熔体侵入岩脉稀土及微量元素分布图。（c, d）Sr-Nd-C-O同位素特征

　　这些岩脉中的锆石的U-Pb年龄分布符合燕山造山带岩石的特征（图3）。这表明，它们不是被捕获的华北碳酸盐地层（这些地层形成与中生代之前，其中不会有~120Ma年龄峰的锆石）。与汉诺坝碳酸岩中的锆石不同，它们也不具有古亚洲洋特征的年龄峰，因此也难以用俯冲碳酸盐沉积物底劈熔融的模型来解释。结合燕山造山带构造特征分析，该研究认为它们的源岩应该是燕山造山带中逆冲推覆的沉积灰岩，由于新生代软流圈上涌造成玄武岩熔体底侵加热燕山造山带基底，引发了沉积灰岩的深熔作用。这也符合它们的微量元素及同位素特征。

图3. 阳原碳酸盐熔体侵入岩脉中的锆石的U-Pb年龄分布与汉诺坝碳酸岩、华北北缘、古亚洲洋地体中的锆石年龄分布的比较

　　通过对全球显生宙碳酸质岩浆的数据进行整理和统计，结果表明该模型可以适用于很多造山带中的碳酸岩熔体，这些熔体的Sr-Nd同位素（图4）比板内碳酸岩熔体更加演化，C-O同位素（图4）也比板内碳酸岩熔体重，说明造山带中的碳酸岩熔体大多来自沉积物熔融，且经历了和造山带基底的同化混染及强烈的CO₂脱气过程。这些熔体的微量元素特征（图4）表明其起源深度较浅，地幔岩石对其化学特征的贡献较低，不支持俯冲到地幔深部再循环的过程。

图4. （a, b）全球显生宙碳酸质岩浆Sr-Nd-C-O同位素分布图。（c, d）(Dy/Yb)N和δEu分布及MnO和Ni含量分布图

　　对这些造山带碳酸盐熔体的时空分布统计（图5）支持它们与大陆地壳的碰撞有关，而不是与大洋板片的俯冲有关：它们往往形成于造山带后期拉张阶段而非俯冲阶段，且现代俯冲带内也少有碳酸盐熔体记录。

图5. （a）基于侏罗纪古大陆重建的显生宙造山带碳酸盐熔体的空间分布。（b）显生宙造山带碳酸盐熔体的时间分布。（c）板内及造山带碳酸盐熔体起源模式图

　　事实上，由于CCD补偿深度的存在，洋壳中的碳酸盐沉积物较少，而大陆板块边缘形成了大量的碳酸盐沉积物。我们的研究表明，这些大陆地壳边缘形成的碳酸盐沉积物可以是造山带碳酸盐熔体的重要来源，它们可以在造山过程中逆冲推覆到地壳深部并在后碰撞阶段发生熔融，该过程伴随大量的CO₂释放并可能对大气碳储库含量产生影响。该研究对造山带碳酸岩中的稀土成矿过程同样具有启示意义。

　　该论文已发表在国际地球科学领域权威期刊《Earth and Planetary Science Letters》上，该研究主要受到国家自然科学基金的资助。

　　论文信息：Wang, C.（汪程远）, Foley, S. F., Liu, Y.（刘勇胜）, Wang, Y.（王煜）, & Xu, Y. G.（徐义刚） (2023). Origin of carbonate melts in orogenic belts by anatexis of downthrust carbonate sediments. Earth and Planetary Science Letters, 619, 118303.

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