中国科大在应用包裹体三维成像技术示踪俯冲带深部含碳变质流体活动方面取得重要进展

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院肖益林教授课题组通过使用拉曼三维成像分析技术，首次在俯冲带深部地幔楔橄榄岩中发现了金刚石-菱镁矿-甲烷共存的多相含碳包裹体，这项研究对深入理解俯冲带弧下深度，尤其是还原环境下的碳循环具有重要的意义。

俯冲带是地壳物质进入地幔的主要途径，是实现壳-幔之间元素迁移和能量交换的重要场所。俯冲的地壳物质通过变质脱水、部分熔融等过程释放的熔/流体向上迁移交代地幔楔橄榄岩，使其保留一定的熔/流体活动证据。包裹体作为俯冲带熔/流体活动的直接证据，被广泛运用于俯冲带熔/流体性质及演化的研究中，为我们了解俯冲带熔/流体活动提供重要证据。近年来随着理论基础和分析方法的发展，包裹体研究由定性描述转变为定量分析，这一转变促使包裹体在俯冲带熔/流体活动的研究中扮演着越来越重要的角色。

碳作为重要的挥发性元素，近年来地球内部与大气圈之间的碳循环过程备受关注。壳源碳通过俯冲作用进入地幔中，在此过程中，含碳的熔/流体从俯冲板块中释放并向上输送进入地幔。大部分的碳通过岛弧火山作用以二氧化碳和碳氢化合物等形式输出进入大气圈，但仍然存在一定量的碳以超高压矿物（如金刚石，菱镁矿）的形式运输和储存在地幔中。因此，识别地幔中储存的含碳相对于认识深部碳循环及碳迁移过程具有重要意义。

肖益林教授团队选择典型的超高压变质带（大别造山带）中地幔楔橄榄岩作为研究对象，开展了详细的岩相学和包裹体组成研究，研究表明橄榄石和锆石中的包裹体均属于原生包裹体，代表了俯冲带深部交代地幔楔含碳熔/流体的化学成分。拉曼分析结果显示，橄榄石和锆石中均捕获超高压指示矿物金刚石，并在橄榄石中通过三维成像识别出共存的多相含碳包裹体（金刚石-菱镁矿-甲烷）（图一、二）。橄榄岩体中捕获的榴辉岩透镜体中碳酸盐包裹体的存在表明CO₃^2-可能是俯冲带CHO流体中主要的含碳相。在板块俯冲过程中，菱铁矿与H₂O发生反应，形成多相包裹体（菱镁矿+CH₄+金刚石）。俯冲板块释放的碳能够以金刚石+甲烷+菱镁矿的形式储存在上覆地幔楔体中。氧化的碳酸盐在板块俯冲至弧下深度时转化为CH₄、菱镁矿以及难熔金刚石，从而实现深部碳循环过程。

图一: 橄榄石中金刚石-菱镁矿-甲烷多相包裹体显微图。

图二: 金刚石-菱镁矿-甲烷多相包裹体三维拉曼显微图。其中，Dia：金刚石；Mgs：菱镁矿；CH₄：甲烷

相关研究成果以《Deep carbon cycling during subduction revealed by coexisting diamond-methane-magnesite in peridotite》为题，发表在最新一期国际知名综合性科学期刊《National Science Review》(NSR)。王晓霞博士为论文的第一作者，肖益林教授为通讯作者。该项研究工作得到了科技部重点研发计划变革性技术关键科学问题专项“超临界地质流体的性质和效应”项目(2018YFA0702701)、中国科学院战略重点研究计划(B)项目(XDB41000000)、国家自然科学基金项目(42230304、42073003、92055209)的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad203