近日，中科院海洋所张国良课题组与美国田纳西大学黄士春教授合作，在国际著名地学期刊《Geochemistry Geophysics Geosystems》发表了题为“CO₂-Rich Rejuvenated Stage Lavas on Hawaiian Islands”的研究论文。该研究主要通过夏威夷三个洋岛（图1）的火山岩化学组成和橄榄石Ni、Ca、Mn元素分配规律，揭示了夏威夷复苏期原始岩浆相对造盾期具有高度富集CO₂的特征，可能起源于被碳酸岩熔体交代后的地幔柱橄榄岩。 

图 1. 夏威夷洋岛/海山链构造岩性和火山岩采样分布图

　　尽管越来越多的研究发现，地球内部可能是重要的碳储库，并存储了地球上大部分碳；但是，关于碳在地球内部的存储部位及富碳原因并不清楚、或存在较大争议。通常认为，岩石圈地幔和地幔转换带是重要的碳储库，然而，关于深部下地幔是否也存在碳富集及其成因，相关研究和认识很有限。 

　　夏威夷海山链的地幔柱热点成因在国际上研究程度较高。无论地球物理和地球化学等研究都认为夏威夷热点起源于下地幔底部，这为研究下地幔的碳富集及其成因提供了重要窗口。夏威夷火山按时间顺序可分为四期：造盾前、造盾期、造盾后和复苏期；其中，造盾期代表火山活动主要时段，形成岩浆体积占整个洋岛岩浆量95%以上。复苏期火山是造盾期完成并经历一定海浪侵蚀后形成，喷发时间与前三期有一定间隔。在岩性上，造盾期主要是拉斑玄武岩，气孔较少；而复苏期火山岩主要是贫硅碱性火山岩，含大量气孔。 

　　本次研究对夏威夷考艾岛、欧湖岛、马尾岛三个洋岛进行了详细勘察采样，并对造盾期拉斑玄武岩和复苏期碱性火山岩进行了详细矿物学和地球化学研究。结果显示，复苏期火山岩相比造盾期在全岩上具有异常低SiO₂、Ni和高Ca-Mn的特征，甚至部分碱性玄武岩具高场强元素负异常特征（图2）。另一方面，这些碱性玄武岩和拉斑玄武岩橄榄石的Ca、Mn和Fe/Mn却非常相似，且碱性玄武岩橄榄石Ni含量明显低于拉斑玄武岩橄榄石（图3）。本研究计算获得了Ca、Mn在橄榄石/熔体间分配系数，并与部分熔融高压实验结果进行了对比（图4）。结果显示，造盾期符合一个较“干”的岩浆体系，而复苏期则是一个高度富集CO₂（可达10 wt%）的岩浆体系（图5）。这种富碳特征与此前发现夏威夷地幔岩捕掳体含金刚石现象是吻合的。 

图 2. 夏威夷洋岛火山岩微量元素配分图解

图3. 夏威夷洋岛火山岩橄榄石斑晶Ni、Ca、Ni元素组成

图4. 夏威夷洋岛火山岩Ca-Mn元素在橄榄石/熔体间分配系数图解。注意：复苏期Ca、Mn在橄榄石/熔体间分配系数明显低于造盾期

图5. 夏威夷洋岛火山岩原始岩浆CO₂含量计算结果

　　根据橄榄石/尖晶石矿物组合进行“Al交换”温度计算，结果显示复苏期原始岩浆温度与造盾期相似（图6），说明温度不是导致橄榄石Ni含量在两期岩浆之间巨大差距的原因，更不可能导致复苏期全岩相对低Ni的特征。据此研究认为，两期火山岩的橄榄石Ni含量差异主要与源区矿物学组成有关。进一步的，复苏期火山岩Sr-Nd-Hf同位素组成相对造盾期在整体明显亏损，说明二者源区明显不同。研究认为，复苏期岩浆源区主要是同位素较为亏损的橄榄岩，而造盾期岩浆是含有较多辉石岩且同位素相对富集的地幔（图7）。本研究还推测，复苏期岩浆富集的CO₂主要来自古代“俯冲-循环”的“含碳酸盐岩石圈地幔”。 

图6. 夏威夷洋岛火山岩橄榄石/尖晶石结晶温度计算结果

图7. 夏威夷洋岛复苏期和造盾期岩浆成因模式示意图。注意：复苏期火山起源于地幔柱边部的碳酸盐化橄榄岩

　　本次研究通过夏威夷洋岛火山岩矿物学和地球化学，揭示了起源于下地幔的岩浆高度富集CO₂（达10 wt%）特征、以及CO₂对复苏期火山岩成因具有重要贡献。 

　　论文第一/通讯作者为张国良研究员，研究过程得到Claude Herzberg、Jacqueline Dixon、Daniel Heaton、Eemu Ranta等多位学者或审稿人的评论和建议，并得到国家自然科学基金、海洋国家实验室等项目经费资助。 

　　文章信息：Zhang Guoliang, Wang Shuai, Huang Shichun, Zhan Mingjun, Yao Junhua, 2022. CO₂-Rich Rejuvenated Stage Lavas on Hawaiian Islands. Geochemistry Geophysics Geosystems. 

　　 https://doi.org/10.1029/2022GC010525.