大洋中的碳酸盐是地球表层的重要碳储库，其主要以蚀变洋壳、大洋沉积物和碳酸盐岩的形式存在。大洋沉积碳酸盐随着俯冲作用进入地球内部是地表碳返回地球内部的重要方式，不仅影响地幔的物理化学性质，更是控制着地质历史时期的气候变化，影响地球环境宜居性。在西伯利亚克拉通、塔里木克拉通及华北克拉通之间曾长期存在着古亚洲洋。在古亚洲洋闭合过程中可能有大量碳酸盐通过俯冲作用进入地球内部，导致华北克拉通、南蒙微陆块以及塔里木克拉通岩石圈地幔发生物理和化学性质改变。因此，识别和研究碳酸盐岩俯冲对重建古亚洲洋活动历史和准确认识碳酸盐岩再循环对克拉通岩石圈地幔的改造作用有重要意义。

中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队学术带头人刘勇胜等^[1]通过华北克拉通北缘汉诺坝碳酸岩（图1）的锆石年代学研究，结合前人工作和团队近年来研究成果，总结探讨了古亚洲洋碳酸盐大规模俯冲再循环及其对华北克拉通北缘壳幔物质组成与分异的影响，为古亚洲洋的沉积碳酸盐岩被俯冲携带到华北克拉通之下的岩石圈地幔提供了进一步的关键证据。

中亚造山带中西部地区分布大量具有超高压变质特征的变质碳酸盐，指示沉积碳酸盐经历了俯冲作用。尽管中亚造山带东段的兴蒙造山带中未报道经历超高压变质作用的大理岩，但其中达理湖玄武岩携带的碳酸岩捕虏体（图1）记录了沉积碳酸盐岩发生了深部地幔再循环作用^[2]。这些现象表明古亚洲洋曾广泛发育沉积碳酸盐岩，且其中一部分在俯冲过程中返回了地幔。

图1 华北克拉通北缘受碳酸盐交代地幔包体、火成碳酸岩及三叠纪碱性岩分布图。

华北克拉通北缘汉诺坝玄武岩中的碳酸岩侵入体记录了灰岩再循环进入地幔后熔融形成碳酸岩过程的岩石学和地球化学特征^[3]。这些碳酸岩中碎屑锆石具有从前寒武纪到显生宙的年龄谱，但前寒武纪年龄峰完全不同于华北克拉通北缘地质体中的锆石年龄谱，而与兴蒙造山带沉积物中碎屑锆石的年龄谱相似（图2）。尤其是300~373 Ma锆石显著偏正的ε_Hf(t)值（7.7~13.5）明显区别于同时期华北克拉通北部的锆石，而与兴蒙造山带中锆石的正ε_Hf(t)值一致（图3）。这些特征表明:（1）汉诺坝碳酸岩的源岩应该是来自古亚洲洋壳南缘的大陆边缘沉积碳酸盐岩（沉积时间不早于300 Ma），（2）古亚洲洋在晚石炭世-早二叠世还未完全闭合。

图2 锆石年龄分布。（a）汉诺坝碳酸岩中锆石U-Pb年龄分布；（b）兴蒙造山带沉积物中碎屑锆石年与火成岩中岩浆锆石年龄分布；（c）华北克拉通北部晚古生代-中生代沉积物、现代河流沉积物、火成岩以及汉诺坝地区下地壳麻粒岩包体中的锆石年龄分布。

图3 汉诺坝碳酸岩中锆石εHf(t)值与U-Pb年龄的变化关系。兴蒙造山（XMOB）火成岩和沉积物中锆石以及华北克拉通北部（NCC）火成岩和古生代-中生代地层中的锆石放在图中作对比。

古亚洲洋板块俯冲引起的沉积碳酸盐深部再循环作用对华北克拉通北缘壳幔物质组成与分异产生了重要影响。华北克拉通北缘从西向东一系列新生代玄武岩中捕获的地幔包体中（图1）单斜辉石具有向低Ti/Eu和高(La/Yb)_N及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值变化的趋势（图4），反映了亏损地幔受到再循环碳酸盐的交代改造作用。而且，碳酸盐交代作用引起的高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr地幔在华北克拉通北缘呈东西向展布（图1），而在华北克拉通内部则表现出南北向分带特征^[4]。结合区域构造环境和再循环碳酸盐交代地幔的空间分布特征，我们推断华北克拉通北缘亏损岩石圈地幔发生了大规模的碳酸盐交代，交代熔体很大一部分来自于与古亚洲洋俯冲有关的再循环沉积碳酸盐。

图4 华北克拉通北缘新生代玄武岩捕获的地幔橄榄岩包体中单斜辉Ti/Eu-⁸⁷Sr/⁸⁶Sr变化图。

碳酸盐再循环引起的地幔交代过程中H₂O和CO₂等挥发分加入会显著降低地幔岩石的固相线温度，诱发地幔熔融作用，并且会使熔体更贫硅、富碱。华北克拉通北缘东-西向出露了大量三叠纪超基性-中性碱性岩（图1），其富集大离子亲石元素和轻稀土元素，具有演化的Sr-Nd-Hf同位素特征，其中还发现了原生方解石和共生的火成碳酸岩。这些特征也反映三叠纪时期华北克拉通北缘地幔源区存在大量再循环碳酸盐^[5]。再循环碳酸盐一般具有强氧化性，古亚洲洋壳俯冲过程中的沉积碳酸盐再循环作用可以提高岩石圈地幔的局部氧逸度，影响地幔中硫化物的稳定性以及在硫化物中富集元素（如Ni、铂族元素（PGE）等）的活化迁移^[6]，可能对华北克拉通北缘部分金属硫化物矿床的形成具有重要贡献。

文章信息：

中文：刘勇胜*, 陈春飞, 何德涛, 张拉, 虞凯章. 2021. 古亚洲洋碳酸盐俯冲再循环及其对华北克拉通岩石圈组成的影响. 中国科学: 地球科学, 51(10): 1753–1772, https://doi.org/10.1360/SSTe-2020-0261

英文：Liu Yongsheng*, Chen Chunfei, He Detao, Zhang La, Yu Kaizhang. 2021. Recycling of Paleo-Asian Ocean carbonates and its influence on the lithospheric composition of the North China Craton. Science China Earth Sciences, 64(8): 1346–1362, https://doi.org/10.1007/s11430-020-9764-1

主要参考文献：

1. 刘勇胜, et al., 古亚洲洋碳酸盐俯冲再循环及其对华北克拉通岩石圈组成的影响. 中国科学: 地球科学, 2021. 51: p. 1753–1772

2. Liu, Y., et al., First direct evidence of sedimentary carbonate recycling in subduction-related xenoliths. Scientific Reports, 2015. 5: p. 11547.

3. Chen, C., et al., Paleo-Asian oceanic slab under the North China craton revealed by carbonatites derived from subducted limestones. Geology, 2016. 44: p. 1039-1042.

4. Xu, R., et al., Crust recycling induced compositional-temporal-spatial variations of Cenozoic basalts in the Trans-North China Orogen. Lithos, 2017. 274-275: p. 383-396.

5. Yu, K., et al., Reconstruction of primary alkaline magma composition from mineral archives: Decipher mantle metasomatism by carbonated sediment. Chemical Geology, 2021. 577: p. 120279.

6. He, D., et al., Platinum group element mobilization in the mantle enhanced by recycled sedimentary carbonate. Earth and Planetary Science Letters, 2020. 541: p. 116262.

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