一、年度工作进展

1、项目实施方案执行情况

项目实施方案中涉及四个方面研究内容“1-板块俯冲过程中碳酸盐相变与脱碳反应规律研究”“2-西太平洋俯冲体系火山岩原始岩浆化学和挥发分组成”、 “3-碳酸盐化岩浆-岩石圈交代反应及一个潜在的岩石圈碳储库”、“4-西太平洋板内火山源区及其与俯冲滞留板片来源深部碳储库的成因联系”，其中1、3、4都已经开展了较为系统的工作，并有论文发表（见列表），研究内容2由于疫情原因无法到外地或国外实验室开展原位CO₂组分测量，目前开展的工作量有限。

2、与西太计划其他项目的交流合作情况

    项目执行过程中涉及到的碳循环高压实验模拟、俯冲带热结构的地球物理制约、西太平洋俯冲滞留板片的层析结构等，已经与其他项目进行过相关学术交流。

3、获得的数据、科学意义及汇交情况

已经获得西太平洋Caroline海山链、马里亚纳-Yap岛弧的年代学和地球化学资料、太平洋滞留板片有关的岩石学和地球化学资料、碳酸盐稳定性有关高温高压实验和化学测试资料等，这些将对板块俯冲过程与碳富集过程、碳行为对岩浆成因，以及含碳熔/流体在地球固体圈层间运移规律等有重要科学意义，部分数据已公开发表。

二、 年度研究成果

1、取得的科学认识及其意义

（1）以西太平洋Caroline海山链和Kocebu海山为例，通过对西太平洋与“俯冲-再循环”有关的碳酸盐化岩浆演化过程研究，认识到洋壳中的碳酸盐随着板块俯冲进入地幔深部，构成了深部地幔中碳的重要来源。研究发现，碳酸盐化熔体与上覆岩石圈地幔之间的反应经历了两个不同阶段的演化，首先是反应式演化，紧随的是非反应式演化。反应式演化可以显著改造碳酸盐化熔体组成，并使得碳酸盐化熔体在上升和演化过程中逐渐脱碳，同时自身演化成为碱性火山岩。通过橄榄石斑晶Ca-Mn元素分配行为，建立了估算原始岩浆CO₂含量的方法，估算出原始岩浆CO₂含量为11-15 wt%。

（2）将天然样品组成与高温高压实验模拟结合，研究了马里亚纳俯冲带内碳酸盐的稳定性和脱碳行为，揭示了俯冲板块含水量差异对板片脱碳行为的影响机制。发现板片脱水可以增强碳酸盐在俯冲带的稳定性，碳酸盐矿物与基性矿物反应可以生成富Mg-Fe碳酸盐，使碳酸盐可稳定俯冲进入地幔。另外，进行了微斜长石与碳酸钾溶液的高温反应实验，证实低浓度碳酸根会显著提高微斜长石溶解度，表明在洋壳俯冲过程中，板片脱水形成的高度富集硅酸盐物质“熔流体”是俯冲带岩浆形成的关键因素；碳酸钙的脱碳反应并不一定会产生CO₂，与岛弧岩浆岩流体包裹体中CO₂并不普遍的现象相吻合。

（3）研究西太平洋“马里亚纳-雅浦”岛弧基岩的年代学和地球化学，厘定马里亚纳-雅浦岛弧系统的成因和演化历史，认识到21Ma该岛弧系统一个重要事件，来自洋底高原的碰撞事件使该岛弧系统演化两个独立俯冲带，并在此后重启了一个新的雅浦俯冲带，为在进一步开展板块俯冲和深部碳循环研究，奠定构造和年代学框架基础。

（4）通过海陆和古今对比，研究了古太平洋板块俯冲对地幔转换带碳富集的贡献。首次发现古太平洋板块来源的碳酸盐化熔体形成了极端富Mg（Fo=99%）的橄榄石，并含有碳酸盐质硅酸岩熔体。综合全岩和微区分析结果显示，这种碳酸盐质硅酸岩熔体来自地幔转换带的含碳残留洋壳，表明板片俯冲是地幔转换带富集碳的重要原因。

2、对解决西太计划关键科学问题的贡献

该研究对重大研究计划的“（二）西太平洋流固界面跨圈层物质与能量交换过程”、“（三）西太平洋板块俯冲与地球深部流固相互作用”两个核心科学问题有重要贡献。其中，碳酸岩熔体演化、高Mg橄榄石成因、以及熔体-岩石圈相互作用，有助于认识地幔熔/流体与大洋岩石圈之间多圈层相互作用机制；高压实验研究结果，对认识俯冲带碳酸盐稳定性和碳循环规律有重要贡献；对马里亚纳和雅浦岛弧系统年代学和基岩组成的研究，有助于认识俯冲带重启机制，也是后续进一步开展碳循环研究前提。

3、成果列表

[1] Zhang G.L.(*), Wang S., Zhang J., Zhan M.J., Zhao Z.H. Evidence for the essential role of CO₂ in the volcanism of the waning Caroline mantle plume. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2020 Sep 23. Doi: 10.1016/j.gca.2020.09.018. (第一标注)

[2]  Liu Y, Zhang G.(*), Zhang J, Wang S. Geochemical constraints on CO₂-rich mantle source for the Kocebu Seamount, Magellan Seamount chain in the western Pacific. Journal of Oceanology and Limnology. 2020, 38 (4): 1201-14. (第一标注)

[3] Zhang, G. (*), Zhang, J., Wang, S., Zhao, J. (2020). Geochemical and chronological constraints on the mantle plume origin of the Caroline Plateau. Chemical Geology, 540 (5): 119566. doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.119566. (第一标注)

[4] Yuan X., Xiong X, Zhang G.L., Mayanovic RA. Application of calcite, Mg‐calcite, and dolomite as Raman pressure sensors for high‐pressure, high‐temperature studies. Journal of Raman Spectroscopy. 2020 May 13. doi.org/10.1002/jrs.5893. (第一标注)

[5] Zhang J, Zhang G L (*). Geochemical and chronological evidence for collision of proto-Yap arc/Caroline plateau and rejuvenated plate subduction at Yap trench. Lithos. 2020, Jun 5: 105616. doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105616. (第三标注)