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碳酸盐与熔体在6GPa下微量元素分配系数及钙镁碳酸盐超固相的关系

        在俯冲带,钙镁碳酸盐被引入地幔,而火山喷发使碳返回岩石圈和大气。在俯冲板块内,碳酸盐最丰富的沉积物和海洋地壳的水热变化部分。在加热和压缩过程中,一些碳通过分解和挥发释放到流动相中,从俯冲岩性中释放出来。碳流体最终通过电弧相关的岩浆作用和扩散出气返回表面或可能与水中的橄榄石相互作用与俯冲板和上俯冲地幔形成钙镁碳酸盐。然而,在没有水的情况下,碳酸盐沿典型的俯冲带地温稳定。因此,板坯中不经历普遍脱水或流体渗透的含碳酸盐岩性可以将碳酸盐输送到更大的地幔深度。例如,含有碳酸盐的超高压变质岩证明了地幔中存在一些碳酸盐碳酸盐熊地幔包体和钻石中的夹杂物。实验研究表明碳酸盐岩在碳酸化橄榄岩和榴辉岩固相中的稳定性,并表明碳酸盐与其熔体关系和熔融温度的相关性是真的。即使是少量的碳酸盐也会引起橄榄石的熔化,根据菱镁矿的近似反应,碳酸盐被完全消耗形成白云石熔体、单斜辉石、正斜辉石。碳化地幔的低熔化会产生富含CO2的熔体,这些熔体可能是碳酸岩和金伯利岩的前体,同时含CO2熔体的存在可能导致软流圈的低电导率。
      在近期一篇发表于《
AMERICAN MINERALOGIST的文章中,德国地球科学研究中心阐明了钙镁碳酸盐的存在影响了地幔中橄榄岩和榴辉岩的熔融和相关系,部分碳酸盐的熔融将碳从地幔释放到较浅的深度。碳酸化橄榄岩和碳酸化榴辉岩初始熔融的起始和组成受纯钙镁碳酸盐体系的影响,从而理解了钙的相关系,镁碳酸盐是评估地幔碳通量的基础。通过高压和高温实验,名义无水钙镁碳酸盐体系在6GPa下的超固相关系,表明温度超过1300°C时,钙镁碳酸盐将部分熔化。与热力学模型数据的比较证实了实验结果。此外,还有Li、Na、K、Sr、Ba、Nb、Y、稀土的分配系数,方解石和白云质熔体之间的元素,钙镁石和白云质熔体之间的元素,以及菱镁石和建立了白云质熔体。
       钙镁碳酸盐的熔化温度和相关系取决于Mg/Ca比。例如,Mg/(Mg+Ca)摩尔比为0.2的富钙碳酸盐将在1350-1440°C时转化为白云石熔体和方解石晶体。部分富镁碳酸盐的熔融在1400-1600°C时会产生白云石熔体和含钙菱镁矿。微量元素在方解石和菱镁矿中的分布似乎遵循二价阳离子的晶格约束。例如,方解石对Sr和Ba的相容性降低了阳离子半径增加。钙镁碳酸盐与稀土元素不相容,碳酸盐与白云石熔体之间的分布取决于Mg/Ca比值和温度。例如,在1600°C时,菱镁矿和白云石熔体之间的分配系数变化了两个数量级,从0.001到0.1的轻稀土到重稀土。相反,在1400°C时,菱镁矿和白云石熔体之间的稀土和Sr、Ba、Nb和Y的分配系数在0.1~0.2之间是更均匀的散射边缘。(来源:QYIM & AMSC C JIN编报)

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