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深部碳循环是地球表层碳与地球深部碳之间发生交换的过程,直接影响全球气候变化、生命的起源和演化、地幔演化和成矿元素的迁移。板块俯冲过程引起的碳循环作用是联系地球表层碳与深部碳的纽带。在大洋板片俯冲带中地球表层碳主要以沉积碳酸盐岩、碳酸盐化沉积物、碳酸盐化洋壳和有机物形式存在。前人对碳酸盐化洋壳俯冲过程开展了大量研究工作,然而,对碳酸盐岩和碳酸盐化沉积物俯冲作用的研究却很少。本博士论文通过对华北克拉通北部汉诺坝地区碳酸岩侵入体、繁峙地区橄榄岩包体和意大利阿尔卑斯Balmuccia和Baldissero造山带橄榄岩进行岩石学和地球化学研究,并结合高温高压实验研究,揭示碳酸盐岩和碳酸盐化沉积物俯冲的过程和机理及其对地幔演化的影响。汉诺坝地区新生代玄武岩中钙质碳酸岩侵入体含有地幔矿物捕掳晶（单斜辉石、斜方辉石和橄榄石）组成,同时包含碳化硅、高度无序石墨和锆石等副矿物。碳酸岩的碳酸盐组分具有高143Nd/144Nd（0.51282-0.51298）和高Ni含量等特征,表明碳酸岩来自地幔。然而,碳酸岩显示了与灰岩类似的微量元素配分模式（如正Sr和U异常、负高场强元素（Nb,Ta,Zr,Hf,和Ti）和Ce异常）及与灰岩类似的高87Sr/86Sr比值（0.70522到0.70796）和δ18OSMOW值（22.2‰到23.0‰）的特征,表明这些碳酸岩的原岩是灰岩。这些岩相学和地球化学特征表明汉诺坝碳酸岩是由灰岩被俯冲到地幔后被返回地表的产物。汉诺坝碳酸岩中碎屑锆石的年龄显示出从前寒武纪到显生宙非常大的变化范围。前寒武纪锆石年龄在2500 Ma、1800-1900Ma、1313-1392 Ma、1122-1135 Ma、908-937 Ma、734-807 Ma和623-628 Ma显示主要的年龄峰。这些锆石特征峰与华北克拉通北部沉积物中的碎屑锆石年龄峰不同,而与兴蒙造山带南部沉积物中的碎屑锆石年龄峰一致。另外,显生宙锆石（300-500 Ma）具有正的Hf同位素组成,与华北克拉通北部显生宙事件的锆石负的Hf同位素不相符,而与中亚造山带显生宙事件锆石的Hf同位素组成类似。这些证据表明表明碳酸岩的原岩（俯冲灰岩）来自古亚洲洋。综合碳酸岩的岩石地球化学成因,汉诺坝碳酸岩为古亚洲洋俯冲板片携带的沉积碳酸盐岩进入华北克拉通岩石圈地幔提供了直接证据。为了理解碳酸盐岩俯冲过程和机理,本论文设计了一系列高温高压实验来约束灰岩在俯冲带和岩石圈地幔中的行为。实验使用的初始物质来自IODP50922钻孔的灰岩（包含>94.3 wt.%的方解石）和汉诺坝地区橄榄岩中的橄榄石。实验采用把纯橄岩和灰岩分为上下两层的双层实验,使用的温度为900-1250°C和压力为1.3-2.7GPa。实验结果表明在灰岩和纯橄岩接触处有一层单斜辉石反应带。在1.3-2.7 GPa条件下灰岩的熔融温度为950-1050°C,比纯方解石的固相线（>1500°C）约低550℃,表明灰岩和纯橄岩的强烈反应降低了灰岩熔融的固相线。该研究得到灰岩的固相线比俯冲带的地温梯度更高,但是比大陆岩石圈地幔的地热梯度更低,这意味着灰岩在俯冲带不会出现熔融。由于灰岩具有低的密度和粘度的特征,灰岩会以漂浮的底劈物形式脱离俯冲板片并侵入到岩石圈地幔并发生熔融作用。实验中得到的碳酸岩熔体具有与初始物质的灰岩类似的微量元素特征,表明俯冲灰岩熔融形成的碳酸岩熔体过程中微量元素不分异,这与汉诺坝碳酸岩得到的结论一致。古亚洲洋板片俯冲引起的含碳酸盐物质的地幔再循环过程很可能引起华北克拉通广泛的岩石圈地幔活化作用。该论文通过对华北克拉通北部繁峙地区橄榄岩包体（二辉橄榄岩和方辉橄榄岩）原位主微量元素、原位Sr同位素和矿物Sr-Nd同位素研究,解译出俯冲碳酸盐化沉积物引起的两期地幔交代事件。方辉橄榄岩的单斜辉石具有高的（La/Yb）N（8.4-66）和Zr/Hf（30-66）值,但是低的Ti/Eu比值（478-1268）的特征,表明方辉橄榄岩受到早期碳酸岩熔体交代。这些单斜辉石具有高度演化的Sr-Nd同位素组成(87Sr/86Sr=0.70640-0.70716和143Nd/144Nd=0.512304),表明交代的碳酸岩熔体起源于碳酸盐化沉积物。二辉橄榄岩的单斜辉石具有低的（La/Yb）N（0.16-10.6）和Zr/Hf比值（25-39）,支持第二期交代熔体很可能是碳酸盐化硅酸盐熔体。二辉橄榄岩中单斜辉石的Sr-Nd同位素组成沿着亏损地幔和碳酸盐化沉积物的简单混合曲线变化,表明碳酸盐化硅酸盐熔体起源于碳酸盐化沉积物。这两期交代事件是由古亚洲洋携带碳酸盐化沉积物俯冲进入华北克拉通岩石圈地幔造成的,对华北克拉通北部岩石圈地幔活化具有显著的贡献。为了进一步识别古亚洲洋俯冲板片携带的碳酸盐对岩石圈地幔的改造,本论文研究了繁峙橄榄岩中单斜辉石和斜方辉石的Ca同位素组成。繁峙地幔橄榄岩中单斜辉石的δ44/40Ca具有一个大的变化范围（从+0.84‰到+1.17‰）。早期碳酸岩熔体交代改造的方辉橄榄岩具有最高的δ44/40Ca值（>+1.17‰）。二辉橄榄岩中单斜辉石的δ44/40Ca与87Sr/86Sr和（La/Yb）N之间的正相关性支持第二期交代事件也导致了二辉橄榄岩中高Ca同位素组成（约+1.09‰）的结果。两期交代介质的重Ca同位素组成与古亚洲洋中沉积碳酸盐的轻Ca同位素组成不一致,表明碳酸盐化沉积物的Ca同位素组成在俯冲过程中发生了分馏。高Sr同位素比值和重Ca同位素组成指示了早期交代介质可能是一种碳酸盐化流体,由碳酸盐化沉积物在含水条件下熔融形成的。这些碳酸盐化流体同时交代深部地幔,形成具有高Sr同位素比值和重Ca同位素的深部地幔源区,受交代的深部地幔在晚期熔融形成第二期交代介质（碳酸盐化硅酸盐熔体）。地幔岩浆过程中Ca同位素分馏行为是利用Ca同位素示踪再循环碳酸盐和约束地幔演化过程的基准线。本论文进一步通过研究Balmuccia（BM）和Baldissero（BD）造山带地体的橄榄岩（二辉橄榄岩,方辉橄榄岩和纯橄岩,n=29）和辉石岩（二辉石岩,单斜辉石岩和斜方辉石岩,n=15）的Ca同位素组成来约束Ca同位素在部分熔融和岩浆分异过程中的分馏行为。这些二辉橄榄岩和方辉橄榄岩经历了不同程度的部分熔融作用和软流圈熔体与橄榄岩反应,但显示了在分析误差范围内一致的δ44/40Ca值（+0.94±0.11‰（2sd,n=22））。辉石岩是软流圈熔体—橄榄岩反应和岩浆分异的产物。二辉石岩和单斜辉石岩的Ca同位素组成(δ44/40Ca=+0.86±0.10‰（n=14）)与二辉橄榄岩和方辉橄榄岩的Ca同位素组成也是类似的。这些结果表明各种地幔岩石具有相似的Ca同位素组成,是因为单斜辉石控制着岩浆过程中Ca的含量变化,如:这些橄榄岩和辉石岩>90%的Ca在单斜辉石中。结合模拟计算结果揭示了上地幔部分熔融（部分熔融程度F<25%）、硅酸盐熔体—橄榄岩反应和岩浆分异都不会引起显著的Ca同位素分馏。只有贫单斜辉石的纯橄岩和斜方辉石岩显示了更重的Ca同位素组成（分别为+1.11‰到+1.81‰和+1.13‰）。本研究表明饱满的岩石圈地幔具有均一的Ca同位素组成(δ44/40Ca=+0.94±0.10‰（2sd）)。因此,在已报道的一些地幔岩石中Ca同位素变化很可能是由于扩散动力学和陆壳物质再循环（尤其是沉积碳酸盐再循环过程）造成的。以上研究揭示了沉积碳酸盐岩地幔再循环的过程和机理、碳酸盐化沉积物地幔再循环过程及其对克拉通地幔活化或者破坏的贡献和Ca同位素在地幔岩浆过程中分馏行为,并阐述了Ca同位素在深部碳循环的应用。这些研究成果很可能为深部碳循环研究提供重要的数据支撑,同时拓展了Ca同位素在地幔演化及深部碳循环中的应用前景。