我校研究团队用钙质碳酸岩熔体与橄榄岩反应实验约束华北克拉通岩石圈地幔改造的过程和历史

广泛存在的熔体交代作用是造成克拉通岩石圈地幔岩石学和矿物学改造以及不均一性的关键过程，因此阐明不同性质熔体-橄榄岩反应的岩相学特征、动力学机制和反应产物的成分变异对评估不同类型熔岩反应在克拉通岩石圈地幔改造和再活化过程中的贡献至关重要。

针对上述问题，中国地质大学（武汉）地球深部研究团队博士生王祥发在团队老师的共同指导下开展了一系列不同时间的钙质碳酸岩熔体和热压方辉橄榄岩的反应实验，实验条件为3GPa、1100-1300 °C。该系列实验约束了碳质熔体-橄榄岩反应的岩相学结果、反应机制、反应产物成分特征等，并与硅质熔体-橄榄岩反应进行了详细对比。基于详细的熔体-橄榄岩反应实验约束，结合不同时代地幔橄榄岩样品的成分大数据，对华北克拉通岩石圈地幔熔体交代作用的结果和时空分布特征进行了限定。

高温高压实验的结果表明，钙质碳酸岩熔体-方辉橄榄岩反应过程包括熔体在方辉橄榄岩基质中的快速反应渗透形成联通熔体网络；在熔岩边界橄榄石和斜方辉石溶解进入反应熔体并伴随单斜辉石从混合熔体中结晶。上述过程导致在空间上单斜辉石不同程度富集，在熔岩界面处形成单斜辉石岩，在方辉橄榄岩一侧形成熔体浸润的二辉/方辉橄榄岩（图1）。钙质碳酸岩熔体-方辉橄榄岩反应受扩散作用控制，熔体在方辉橄榄岩基质中的反应渗透速率远高于熔岩界面处橄榄岩溶解和富单斜辉石层的增长速率（图2）。这意味着碳质熔岩反应不局限于熔岩界面，可造成岩石圈地幔大范围不同程度单斜辉石富集。熔体-橄榄岩反应产物单斜辉石成分很大程度受反应熔体成分影响，与碳质熔体反应导致单斜辉石成分向低TiO₂、Al₂O₃，高CaO、Mg#、Ca/Al方向变异，与硅质熔体反应则相反（图3）。实验与天然样品对比表明碳质熔体交代在华北克拉通岩石圈地幔中产生了不同程度富集单斜辉石的大尺度改造地幔区域，而硅质熔体交代形成局限型的辉石岩/石榴石岩脉。华北克拉通古老岩石圈地幔在中生代减薄之前（≥ 125 Ma）普遍经受了碳质熔体交代改造作用，自晚中生代峰期减薄之后（≤110 Ma）碳质熔体交代改造作用明显减弱甚至消退，转而以硅质交代为主。

该项研究通过实验岩石学模拟结合天然样品研究，强调了古老克拉通岩石圈地幔内碳质熔体交代改造的广泛性和普遍性，这可能为克拉通岩石圈的再活化提供了重要前提条件。

该项研究得到了国家自然科学基金（42172250，41872061）和地质过程与矿产资源国家重点实验室科技部专项项目经费支持。研究成果发表在国际权威地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上，并被选为(入选率<2%)Editor’s Highlight (https://eos.org/editor-highlights/why-is-the-north-china-craton-vulnerable-to-destruction), 论文信息如下：

Wang, X., Zhang, J.*, Wang, C., Zong, K., & Xu, H. (2022). Experimental constraint on Ca-rich carbonatite melt-peridotite interaction and implications for lithospheric mantle modification beneath the North China Craton. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024769. https://doi. org/10.1029/2022JB024769

图1. 钙质碳酸岩熔体反应过程示意图

图2.方辉橄榄岩溶解距离(a)以及富单斜辉石层厚度(b)随时间的变化

图3. 熔体-橄榄岩反应产物单斜辉石成分变异趋势