2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 385 象力, 用通俗易懂的艺术方式将这一主流观点发挥的淋漓尽致, 使之家喻户晓 必须立即大幅度降低人类自身的碳排放量, 否则 世界末日 即将降临之类的观点因此当仁不让地成为现代社会的一个主流认识, 但如何大幅度降低人类自身的碳排放量, 却是当今世界各国

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1 2013 年 4 月 地质科学 CHINESEJOURNALOFGEOLOGY 48(2): doi: /j.issn 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 刘 ( 大陆构造与动力学国家重点实验室, 中国地质科学院地质研究所北京 ) 焰 摘要始新世末期以来, 全球大气 CO 2 浓度持续下降, 但长期以来不清楚为何这一时期全球大气 CO 2 浓度下降, 巨量的大气 CO 2 赋存于何处 深入研究该问题有助于准确理解未来大气 CO 2 浓度变化的趋势, 特别是有助于进一步评估人类自身碳排放的后果 这一时期, 小印度陆块持续与大亚洲陆块汇聚, 导致了以喜马拉雅为代表的山脉群和青藏高原的形成 很早就有学者从地球表层碳循环的角度提出了 青藏高原的隆升导致了全球变冷 的观点, 但这一观点既没有解释清楚 巨量大气 CO 2 到何处去 的问题, 也没有讨论青藏高原本身向大气圈排放 CO 2 等问题, 因此该观点最近受到了强烈的质疑 这些激烈的争论充分反映了传统的地球表层碳循环研究已不能充分满足当前社会的需求 本文从深部碳循环这个视角重新探讨青藏高原在全球碳循环中的作用 在印度与亚洲陆块持续汇聚期间, 以喜马拉雅为代表的巨型山脉快速崛起, 然后持续遭受化学风化作用, 大量消耗大气 CO 2 化学风化的产物堆积在喜马拉雅山前的前陆盆地内, 形成了巨量含新生碳酸盐矿物和有机碳的西瓦里克沉积杂岩, 随后新生的西瓦里克杂岩又随持续平板俯冲的印度陆壳被带入青藏高原内部, 与平板俯冲的印度陆壳共同经历高温变质作用 俯冲板片内的 ( 黑 ) 云母等含水矿物发生脱水, 形成花岗岩浆 花岗岩浆再与俯冲的西瓦里克杂岩内的碳酸盐岩发生交代反应, 释放出含钙 镁离子 以 CO 2 和水为主的高温流体, 本文称其为壳源火成碳酸岩浆 碳酸岩浆沿张性裂隙上侵 冷凝之后形成藏南的碳酸岩脉 虽然青藏高原内部的火山 温泉等均向大气圈排放 CO 2, 但所排放的碳均为再循环来自大气圈的碳, 并且排放量略小于吸收量, 否则消耗大气 CO 2 所新生的碳酸岩脉就不会在青藏高原内部保存下来 藏南大量晚新生代碳酸岩脉的发现充分说明了喜马拉雅山脉和藏南高原是一个巨大的碳储库, 在其形成过程中将巨量大气 CO 2 转化为流体 ( 岩浆 ) 的形式封存于青藏高原内部, 从而大幅降低了大气 CO 2 浓度, 最终导致了全球变冷 上述过程充分说明, 大气 CO 2 浓度的变化实质上是受控于地球内部的构造运动 进一步可推论出, 全球变化 只是一个自然现象, 虽然它有独特的运行轨迹, 但与人类的碳排放量无因果关系 关键词深部碳循环青藏高原人类碳排放碳汇中图分类号 :P 文献标识码 :A 文章编号 : (2013) 引言 当前主流观点认为 : 大气 CO 2 浓度的快速增加, 其所产生的 温室效应 将给人类的生存与发展带来极为严重的负面影响 天才艺术家们在这一领域充分发挥了他们的想 中国地质调查局项目 ( 编号 : ) 和国家自然科学基金项目 ( 编号 : , ) 资助 刘焰, 男,1969 年 3 月生, 博士, 研究员, 岩石学与构造地质学专业 E mail:yanliu0315@yahoo.com.cn 收稿, 改回

2 2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 385 象力, 用通俗易懂的艺术方式将这一主流观点发挥的淋漓尽致, 使之家喻户晓 必须立即大幅度降低人类自身的碳排放量, 否则 世界末日 即将降临之类的观点因此当仁不让地成为现代社会的一个主流认识, 但如何大幅度降低人类自身的碳排放量, 却是当今世界各国争执不下的一个 热点 议题, 现在该议题已转化为全球性的政治 伦理道德等方面的议题, 正在持续发酵 深入认识地球历史时期大气圈 CO 2 浓度及其变化规律无疑是理解现今大气圈 CO 2 浓度及其未来变化规律的重要基础, 也有助于进一步准确评估人类自身碳排放的后果 110 年前就已认识到, 在距今 5000 万年前的始新世, 地球表层平均温度比现今要高 (Arhenius,1896;Chamberlin,1899), 当时大气圈 CO 2 浓度远远高于现今, 很可能是现今的 5~10 倍 (Arhenius,1896;Chamberlin,1899;Zachosetal.,2001,2008;Beerling androyer,2011) 始新世末期, 地表平均气温呈现明显的下降趋势, 并在渐新世初 中中新世时开始分别形成南 北极冰盖 (Raymoetal.,1988;CrowleyandNorth,1991;Raymo andruddiman,1992;zachosetal.,2001,2008;sunetal.,2009;liuetal.,2009;scher etal.,2011), 这就是所谓的 全球变冷 大量的研究发现在这一时期大气圈 CO 2 浓度呈现明显下降的趋势 (BudykoandRonov,1979;Arthuretal.,1985;Zachosetal.,2001, 2008;Berner,2003;BeerlingandRoyer,2011), 因此目前多认为始新世末期以来全球变冷是大气圈 CO 2 浓度持续下降的结果 (Arhenius,1896;Chamberlin,1899;Zachosetal., 2001,2008;Royeretal.,2004;BeerlingandRoyer,2011) 但是, 长期以来, 困扰人们的一个问题是 : 为什么始新世末期以来大气圈 CO 2 浓度会发生显著的下降? 大气圈中巨量的 CO 2 到何处去了 (Sundquist,1993)? 不深入探讨这个问题 不试图努力寻求其答案, 则很难准确理解未来大气 CO 2 浓度的变化规律, 更无法评估人类自身碳排放的后果 遗憾的是, 当前 IPCC 的报告却回避了这个长期困扰人们的科学问题, 因此从这个角度看, 当前非常时髦的 全球变暖 的观点还缺乏坚实的理论基础 这一时期, 地球上发生了一个伟大的事件 : 小印度陆块持续与大亚洲陆块汇聚, 青藏高原终于拔地而起 ( 图 1), 成为了亚洲的 水塔, 导致了亚洲季风的最终成型, 深刻影响着人类的生存与发展的环境 在全球碳循环过程中, 青藏高原到底扮演何种角色? 很早就有许多学者将青藏高原的隆升与全球变冷联系起来, 认为隆升的高原促进了硅酸岩的化学风化 有机碳的埋藏等作用, 从而大幅降低了大气圈 CO 2 的浓度, 最终导致了全球变冷 (Edmond,1992;RaymoandRuddiman,1992;France LanordandDery,1997; 刘志飞等,1998;Garzione,2008) 需要指出的是, 这些学者主要还是从地球表层地质过程的角度讨论碳汇过程, 几乎不涉及地球内部碳元素的地球化学行为及其与地球表层碳元素的双向运动过程 硅酸岩的化学风化确实能大幅降低大气圈中 CO 2 浓度, 但这些学者认为化学风化的最终产物, 包括 HCO - 3 等物质最终均进入了海洋 青藏高原本身到底能否固定住所吸收的大气 CO 2? 不让这些碳从其他地区或以其他方式重返大气圈, 前人尚未深入探讨这一问题 确实, 海洋是一个巨型的碳储库, 但它却不能无限地容纳大气 CO 2, 它本身还持续不断地向大气圈排放 CO 2, 即有一部分化学风化所消耗的 CO 2 又重返大气圈 更重要的是, 青藏高原本身还通过火山活动 温泉 大型断裂带 泥火山等多种方式向大气圈直接排放 CO 2 因此, 若将青藏高原与喜马拉雅山脉视为一个独立的子系统, 它

3 ３８６ 地 质 科 学 ２０１３年 图 １ 小印度陆块与大亚洲陆块汇聚过程示意图 在印度洋洋脊持续扩张下 小印度陆块北向运移 楔入大亚洲陆块之内 Ｆ １ Ｓｋ ｈｍ ｐ ｈ ｗ ｎ ｈ ｎｂ ｗ ｎ ｍ Ｉ ｎｄ ｎ ｎ ｎ ｎ ｎｄ Ａ ｎ ｎ ｎ ｎ Ｔｈ ｎｗ ｄｂｙ ｈ ｐ ｄ ｎ ｆｉ ｎｄ ｎ ｎ ｎ ｈ ｕ ｈ 到底能净吸收 净固化多少大气 ＣＯ２ 争议颇大 Ｂ ｋ ２００８ Ｅｖ ｎ ２００８ Ｇ ｄ ｎｄｇ ｙ ２００８ Ｓｋ ｎ ２０１１ 这些激烈的学术争论充分反 映了传 统的地球 表层碳循环研究已不能深刻认识地球历史时期大气圈 ＣＯ２ 浓度变 化的规 律 很 难解释清 楚 始新世以来为何大气 ＣＯ２ 浓度持续下降 这个古老的科学问题 更不能准确认识未来 大气 ＣＯ２ 浓度变化的趋势 重点关 注 碳 元 素 在 地 球 表 层 与 内 部 双 向 运 动 过 程 研 究 的 深 部碳循环研究应运而生 成为当前的主攻方向 青藏高原是新特提斯洋 地球上最近消失的大洋 闭合 印度陆 块与欧 亚陆 块持续 汇 聚的产物 常承法等 １９７３ １９７３ｂ 图 １ 在这 些伟大 的地 质事件中 碳 元 素 通 过 洋 壳 俯冲 陆内汇聚等方式被大量带入青藏高原内 部 同时 青藏高 原也通过火 山 温 泉 等 方 式 直接向大气排放 ＣＯ２ 因此喜马拉雅和青藏高原是探讨全球深部碳循环的关键地区之一 本文试图从碳元素在地球内部与表层双向运动的这个新 视角重 新探讨 始新世 末期以来 为何大气 ＣＯ２ 浓度持续下降 对 这 个 古 老 科 学 问 题 持 续 深 入 的 研 究 一 方 面 可 以 促 进 岩石圈 大气圈相互作用过程的认识 另一方面则可 以为 进一 步准确 评估 人 类 自 身 碳 排 放后果提供新的科学依据

4 2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 387 碳酸岩类岩石主要是由碳酸盐矿物组成的岩石, 可进一步细分为沉积的碳酸盐岩 沉积变质的大理岩和火成碳酸岩 这些岩石是地球上无机碳元素含量最高的岩石类型 深入探讨此类岩石的起源与演化过程有助于认识地球内部碳元素的地球化学行为 有助于认识碳元素在地球内部与表层不同碳储库之间循环等问题, 如碳元素在岩石圈与水圈 大气圈之间循环过程 目前在青藏高原发现了大量的碳酸岩类岩石 (Liuetal., 2006), 这为开展青藏高原深部碳循环研究奠定了坚实的物质基础 20 世纪 60 年代以前, 当时的主流观点认为所有的碳酸岩类岩石均为 水成 成因, 不可能存在 火成 的碳酸岩浆 WylieandTutle(1960) 的实验结果证明了沉积的碳酸盐岩完全可以在比较合理的温压范围内遭受部分熔融作用形成碳酸岩浆 1962 年, 在东非大裂谷的 OldoinyoLengai 地区发现了正在喷出的碳酸盐熔浆, 火成碳酸岩的概念才最终被广为接受 由于 20 世纪六 七十年代所发现的火成碳酸岩均与碱性超基性岩共生, 其地球化学性质, 尤其是微量元素与同位素组成等方面的特征与沉积的碳酸盐岩截然不同, 却与幔源岩石有诸多的相似之处 例如, 当时所发现的火成碳酸岩以高含量的 TiO 2 BaO SrO P 2 O 5 Nb 2 O 5 REE U 和 Th 而不同于沉积碳酸盐岩 因此尽管那时实验岩石学已经证明了变质作用完全可以导致沉积的碳酸盐岩发生部分熔融作用形成碳酸岩浆, 但人们还是放弃了这一观点, 转而认为火成碳酸岩只来源于地幔岩石的 ( 极低 ) 部分熔融作用, 因此火成碳酸岩就应该与碱性岩, 尤其是与碱性超基性岩共生, 就应该富集稀土 稀有等元素, 碳 氧 锶 钕等同位素组成 ( 或比值 ) 就应该与幔源岩石一致 ; 反之, 若不具备这些特征, 就认为是沉积岩或者沉积变质的大理岩, 不可能是火成岩, 即地幔来源的火成碳酸岩与地表附近的沉积 ( 变质 ) 碳酸盐岩 ( 大理岩 ) 之间没有其它类型的火成碳酸岩的产出 (LeBasetal.,2002) 21 世纪初, 还是有少数学者从野外地质产状 岩石学特征 地球化学性质等方面的研究成果顽强地再次提出了 壳源火成碳酸岩 的概念, 认为沉积变质的大理岩也可以发生部分熔融作用形成碳酸岩浆, 并称其为 壳源火成碳酸岩 ( 赵斌等,2004;Liuetal., 2006), 但由于当时还缺乏进一步实验岩石学的证据等因素, 这一观点当时并不被广泛认可 随着实验岩石学的进步, 最近发现含碳酸盐矿物的泥质岩在含水 ( 超 ) 高温条件下完全可以发生部分熔融作用, 形成碳酸岩浆 (ThomsenandSchmidt,2008;Grassiand Schmidt,2011;TsunoandDasgupta,2011), 这突破了 : 只有地幔岩石在 ( 极低 ) 部分熔融作用下才可能形成火成碳酸岩浆 的传统认识, 为沉寂多时的 壳源火成碳酸岩 观点的复活提供了坚实的实验岩石学的证据 由于壳源火成碳酸岩这种特殊的岩石类型常保存有非常丰富的岩石圈 大气圈相互作用的信息, 因此开始关注这种岩石的形成过程 本文拟在藏南壳源火成碳酸岩成因研究基础之上, 进一步探讨其气候效应 2 区域地质背景 前已指出, 由于小印度陆块南侧的印度洋洋脊持续扩张 ( 图 1), 推动小印度陆块大约以平均 5 cm/a 的速率持续向北挤进大亚洲陆块之内, 导致了地壳进一步发生水平缩短, 山脉隆升, 最终形成现今的喜马拉雅山脉与青藏高原 ( 图 1 图 2)

5 388 地质科学 2013 年 图 2 印度陆块与亚洲陆块汇聚的南北向地质剖面简图 Fig.2 N SgeologicalsectionshowingthecolisionbetweenIndianandAsiancontinents 从南至北, 可在藏南和喜马拉雅地区进一步识别出如下构造岩石单元 : 西瓦里克杂岩 低喜马拉雅结晶杂岩 高喜马拉雅结晶杂岩 南特提斯喜马拉雅沉积杂岩 北喜马拉雅穹隆 北特提斯喜马拉雅沉积杂岩 雅江蛇绿岩带 拉萨地块 ( 图 2) 恒河平原位于印度大陆北缘, 因恒河从其中部穿过, 故称其为恒河平原 ( 图 1, 图 2) 由于印度大陆与亚洲大陆的持续汇聚, 恒河平原北部地区的陆壳向下弯曲, 转变成前陆盆地 ( 图 2) 北侧快速隆升的喜马拉雅山脉持续遭受化学风化作用, 组成山体的硅酸岩岩石不断被剥蚀, 同时大量消耗大气 CO 2 山脉化学风化之后的产物: 新生碳酸盐和碎屑等物质, 以及消耗大气 CO 2 所形成的有机碳则不断地堆积在这一前陆盆地内, 逐渐形成了著名的富含有机碳和无机碳的西瓦里克杂岩 ( 图 2) 在印度东部地区的布拉马普拉特河流域, 也就是雅鲁藏布江的下游地区, 在这套西瓦里克沉积杂岩内还孕育有石油等矿产 从东向西, 该前陆盆地油气资源量逐渐下降, 这可能反映了从东至西, 西瓦里克杂岩内有机碳的含量下降 西瓦里克沉积杂岩之南还发育一条著名的断裂带, 被称为主前缘断裂带 ( 简写为 MFT) 该断裂带将新生成的西瓦里克杂岩与印度大陆古老岩石区隔开 ( 图 2), 该断裂带也是印度北部地区的强地震带, 历史上, 印度北部地区破坏性较强的地震常常发生于该区域内 向北, 主边界断裂带 ( 简写为 MBT) 将西瓦里克沉积杂岩与北侧的低喜马拉雅结晶杂岩分隔开, 地势也开始逐渐抬升, 进入喜马拉雅山区 再向北, 地势变得更高, 低喜马拉雅结晶杂岩被主中央逆冲断裂带 (MCT) 与高喜马拉雅结晶杂岩分隔开 ( 图 2) 高 低喜马拉雅结晶杂岩系指产出在喜马拉雅山脉中不同海拔高度的变质结晶杂岩, 产出在北部较高山地的变质结晶杂岩被称为高喜马拉雅结晶杂岩, 而把产出于南部较低海拔地区的变质结晶杂岩称为低喜马拉雅结晶杂岩 前者变质程度较高, 但变质年

6 2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 389 龄相对较年轻, 而后者主要由距今约 20 亿年前的古元古浅变质杂岩所组成 (Ganser, 1964) 东西横向上, 高喜马拉雅结晶杂岩的相变比较大, 在喜马拉雅东部地区, 常常在高喜马拉雅结晶杂岩中出露有高压麻粒岩相变质杂岩 (Davidson,etal.,1997;Liuand Zhong,1997;Neogietal.,1998;Danieletal.,2003;Liuetal.,2007) 向西, 尤其是在珠穆朗玛峰以西, 地表没有出露高压麻粒岩相变质杂岩 ( 王猛等,2008; 刘焰等,2010) 高喜马拉雅结晶杂岩之上出露的是沉积杂岩, 被称之为特提斯喜马拉雅沉积杂岩, 一条规模巨大 低角度的韧性正断裂带将下部的高喜马拉雅结晶杂岩与上部的沉积杂岩分隔开 ( 图 2) 这条韧性正断裂带被称为藏南拆离系( 简写为 STD), 该断层同样大致平行喜马拉雅山脉, 呈近东西向产出 (Burchfieletal.,1992) 藏南拆离系(STD) 与下部的主中央冲断层 (MCT) 大体同时活动, 共同将高喜马拉雅结晶杂岩从青藏高原内部 挤 了出来 (Burchfieletal.,1992), 并持续遭受大气的化学风化作用 ( 图 2), 风化剥蚀产物即为前述西瓦里克沉积杂岩的重要组成部分 在南侧高耸的喜马拉雅山脉与北部的雅鲁藏布江河谷之间, 有一个近东西走向的分水岭, 该分水岭之南的河流均穿越喜马拉雅山脉, 陆续汇入南侧喜马拉雅山前的恒河与布拉马普拉特河, 而这个分水岭之北的河流均汇入雅鲁藏布江之中 由于这个分水岭远低于南侧喜马拉雅山脉的高度, 因此地理上这个分水岭常被称为藏南低分水岭 现在发现这个分水岭也是藏南一个重要的地质边界, 前述的特提斯喜马拉雅沉积岩就以该分水岭为界再细分为南 北两个带 ( 图 2) 南侧的沉积岩被称为南特提斯喜马拉雅沉积岩, 分布于喜马拉雅山脉北坡至藏南低水岭处, 其下即为前述的高喜马拉雅结晶杂岩 南带的沉积杂岩以浅海相碳酸盐岩 细碎屑岩为主, 具有沉积层序清晰稳定 厚度大 化石丰富 构造变形较弱 岩层多以低角度北倾等特征 ( 常承法等,1988), 可以采用传统的史密斯地层学研究方法对其开展研究工作, 现在多认为这套沉积岩代表了印度陆块北缘新特提斯洋南侧被动陆缘的沉积建造 ( 高延林等,1988) 分水岭之北的沉积杂岩则被称为北特提斯喜马拉雅沉积岩, 主要出露一套深水相硅质岩与泥质岩为代表的沉积岩, 变形非常强烈, 岩石总体上很难识别出稳定的层序 : 不同时代 不同岩性的岩石混杂在一起, 很难在较大区域内区分出连续 稳定的沉积地层, 很难采用经典的史密斯地层学方法对其研究, 并且在这套构造混杂岩附近, 还可见基性 超基性岩碎块 甚至蓝片岩块体产出 ( 常承法等,1988) 沿藏南低分水岭, 常见呈 穹隆 状产出的花岗质片麻岩和含白云母的淡色花岗岩, 常称其为北喜马拉雅穹隆 ( 图 2) 在雅鲁藏布江北侧, 出露一条延续长达 2 500km 以上的岩浆岩带, 著名的冈底斯山脉即由这些岩浆岩所组成, 因此常称这条岩浆岩带为冈底斯花岗岩基 ( 图 2) 大量的研究揭示出该岩浆岩带中, 晚白垩世 始新世的岩浆岩是该带的主要组成部分 该时期的岩石类型复杂, 从基性的辉长岩直到酸性的花岗岩类岩石均有出露, 化学成分上, 花岗岩类岩石多为偏铝质花岗岩或弱过铝质花岗岩, 二氧化硅含量较低 成分偏中性 同位素组成上, 地球化学指标指示该期的岩石应该来自亏损的岩浆源区, 充分展现了新生地壳的地球化学特征, 目前公认该套岩石系新特提斯洋壳北向俯冲所形成的 安第斯 型岛弧岩浆岩 (Maluskietal.,1982;Sch reret al.,1984;chuetal.2006;wenetal.,2008; 纪伟强等,2009) 本文所介绍的壳源火成碳酸岩主要呈岩脉 ( 群 ) 产出于冈底斯花岗岩基之内 ( 图 3)

7 ３９０ 地 质 科 学 ２０１３年 图 ３ 西藏壳源火成碳酸岩分布简图 Ｆ ３ Ｓｋ ｈｍ ｐ ｈ ｗ ｎ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｗ ｈ ｎ ｕ ｈｔ ｂ ｎｐ ｕ ３ 藏南碳酸岩脉地质特征 继在东喜马拉雅构造结麻粒岩相变质杂岩中 发现上新 世 第 四 纪的 碳 酸 岩 脉 Ｌ ｕ ２００６ 之后 最近几年在东起波密 西至日喀则 东西长达 ６００ｋｍ 南北 宽约 ５０ｋｍ范 围内的冈底斯花岗岩基中发现了 大 量 的 碳 酸 岩 脉 图 ３ 可 大 致 按 产 出 的 地 区 将 这 些 岩脉进一步细分为东部波密岩区 中部沃卡裂谷岩区与西部日喀则岩区 图 ３ ３ １ 波密碳酸岩脉区 这是目前所发现壳源 碳 酸 岩 脉 最 多 的 区 域 图 ３ 在 东 西 长 达 １００ｋｍ 南 北 宽 约 为 ５０ｋｍ的区域内发现了大量的壳源火成碳酸岩脉 这些岩脉多呈北西向 北西西向 产 出于花岗岩或麻粒岩相变质杂岩之内的 张性裂 隙 内 单 个 岩 脉 宽 可 达 ２０ｍ 图 ４ 延 ｕ ２００６ 该区的壳源碳酸岩脉 主要由白云 石 长达 ３００余米 常捕获围岩碎块 Ｌ 方解石所组成 其它矿物含量 较 少 体 积 含 量 一 般 不 足 ２０ 虽 然 碳 酸 岩 脉 中 非 碳 酸 盐 矿物含量并不高 但种类却不少 目前在此类岩石 中所识别 出来的 非 碳酸 盐矿 物 有 金 云 母 镁橄榄石 透辉石 普 通 角 闪 石 硅 辉 石 黝 帘 石 方 柱 石 星 叶 石 石 榴 石 镁 铝 尖 晶 石 镁钛矿 钛铁矿系列 天 青 石 韭 闪 石 黄 铁 矿 磁 黄 铁 矿 系 列 磷 灰 石 富 碳 硼 镁 钛 ｕ ２００６ 该区域内碳酸岩脉常常发育漂亮的宽可达 石 等 刘焰等 １９９７ ２０００ Ｌ １ｍ的围岩蚀 变 带 代 表 性 的围岩蚀 变矿物 组合有 透 辉 石 透 闪石 钠长石 钾 长石 方 解石 褐帘石 磷灰石 绿帘石 榍石 角闪石 方柱石 钙长石 硅灰石 金云 母 钾长 石 方解石 磷灰石 榍石 ±黑云母 黝帘石 绿泥石 方解石 普通角闪石 Ｌ ｕ ２００６

8 ２期 刘 焰 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 ３９１ 图 ４ 波密碳酸岩岩区火成碳酸岩脉野外产状 地质锤处为蚀变带 碳酸岩脉中的流体包裹体特征 ｂ Ｆ ４ Ａ ｂ ｎ ｄｙ ｋｗ ｈ ｎｂ ｍ ｈ ｍｍ ｈ ｗ ｎ ｎｂ ｗ ｈ ｎ ｈ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｂ Ｃｈ ｆｆ ｕ ｄ ｎ ｕ ｎ ｎ ｂ ｎ ｖ ｎ 该区域内的碳酸岩脉普遍发育流体包裹 体 经 拉 曼 光 谱 鉴 定 气 体 主 要 为 ＣＯ２ 液 体 则主要为水 图 ４ｂ 地球化学上 该区碳酸岩脉 的 稀 土 元 素 等 微 量 元 素 含 量 很 低 具 有 非 常 平 坦 的 稀 土 ｕ ２００６ 同位素组成上 这些岩脉具有异常高的氧同 位素 比值 表明 配分样式 Ｌ 它们与大气降水有成因上的联系 同时还表明这 些岩石在 地 球深部 停留 的时 间 不 长 因 为在高温条件下 氧同位素的扩散速率比较快 如 果在地球 内 部停留 时间 过长 其 氧 同 位 素组成会发生变化 很可能就 不 再 保 留 异 常 高 氧 同 位 素 比 值 的 特 征 此 外 这 些 岩 石 还

9 ３９２ 地 质 科 学 ２０１３年 具有异常富集的锶 钕同位素组成 这些地球化 学特 征完全 不同于 来自地 幔的 火 成 碳 酸 岩 却与沉积变质的大理岩非常相似 Ｌ ｕ ２００６ 这就是为何称其 为壳源 火成碳酸 岩的原因 ３ ２ 沃卡岩区 在近南北向的沃卡地堑内同 样 发 现 大 量 近 南 北 向 壳 源 碳 酸 岩 脉 群 侵 位 于 冈 底 斯 花 岗岩基 内 图 ５ 当 前 地 表 所 发 现 最 大 的 单 一 岩 脉 东 西 宽 达 １ ０００ ｍ 南 北 长 达 ４ ０００ ｍ左右 其中捕获有规模较 大 的 石 榴 石 斜 长 角 闪 岩 岩 体 图 ５ 该 区 碳 酸 岩 普 遍捕获围岩花岗岩类岩石包体 图 ５ｂ 也可见碳 酸岩 脉 沿 Ｘ型 张 节 理 面 侵 位 于 花 岗 闪 长岩基内 图 ５ 同时发育强烈的以矽卡岩化为代表的围岩蚀变带 图 ５ｄ 图 ５ 沃卡碳酸岩区野外地质特征 大型碳酸岩脉 占据整个山顶 并捕获大型石榴斜长角闪岩包体 ｂ 该岩区碳酸岩脉 中 的 花 岗 岩 捕 虏 体 碳 酸 岩 脉 浅色 沿 Ｘ型张节理面侵位于花岗闪长岩 黑色 内 红色处为蚀变的花岗闪长岩 详见 ｄ ｄ 放 大 的 局 部 照 片 示意碳酸岩脉被浅色的矽卡岩与蚀变的花岗岩 红色 分隔开 Ｆ ５ Ｏ ｕ ｎ ｆ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｗ ｈ ｎｗ ｋ ｂ ｎ ｕ ｈｔ ｂ ｕｐｙ ｎ ｈｗｈ ｍ ｕｎ ｎ ｈ ｎ ｍｐｈ ｂ ｘ ｎ ｈ ｂ Ｇ ｎ ｘ ｎ ｈｗ ｈ ｎ ｈ ｂ ｎ Ａ ｄｙ ｋ ｄｙ ｋ Ｔｈ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｈ ｎ ｕｄ ｄ ｎ ｈ ｎ ｄ ｂ ｋ ｎｘ ｙ ｐｊ ｎ Ｒ ｄ ｐ ｎ ｆ ｗ ｎ ｄ ｆ ｄ ｄ Ｓｋ ｎｂ ｐ ｄ ｈ ｂ ｎ ｄｙ ｋｗ ｈ ｄ ｎ ｄ ｄ ｄ ｎ ｄ 该区碳酸岩脉主要以方解石为 主 其 它 矿 物 比 较 少 体 积 含 量 一 般 ５ 目 前 在 碳 酸岩脉中发现有零星的黝帘 石 透 闪 石 硅 灰 岩 等 硅 酸 盐 矿 物 产 出 肉 眼 可 见 磁 铁 矿 产 出于该方解石脉中 镜下发现 几 乎 所 有 的 磁 铁 矿 均 系 交 代 早 期 的 黄 铁 矿 图 ６ 反 映

10 ２期 刘 焰 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 ３９３ 图 ６ 沃卡碳酸岩区碳酸岩脉显微地质特征 矿物缩写据 Ｗｈ ｎ ｙ ｎｄｅｖ ｎ ２０１０ 碳酸岩脉中的黄铁矿被后期的磁铁矿所交代 ｂ 图 ５ ｄ 矽卡岩的显微照片 Ｆ ６ Ｍ ｐｈ ｆ ｈ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｗ ｈ ｎｗ ｋ ｂ ｎ ｕ ｈｔ ｂ Ｍ ｎ ｂｂ ｖ ｎ ｆ Ｗｈ ｎ ｙ ｎｄｅｖ ｎ ２０１０ ｐｙ ｗ ｍ ｍ ｚ ｄｂｙｍ ｎ ｂ ｍ ｐｈ ｆｆ ５ｄ 氧逸度升高 矽卡岩中的硅酸 盐 矿 物 相 对 较 丰 富 目 前 识 别 出 代 表 性 的 矽 卡 岩 组 合 为 斜长石 透辉石 黝帘石 透闪石 方解石 榍石 磁铁矿 黄铁矿等 图 ６ｂ 代表性的锶 钕同位素组 成 与 碳 氧 同 位 素 比 值 见 表 １ 该 区 碳 酸 岩 脉 具 有 较 高 的 ８７ ８６ １４４ Ｓ Ｓ 同位素组成 变 化 较 大 的 １４３Ｎｄ Ｎｄ 图 ５ 表 １ 类 似 于 ＥＭ２型 富 集 地 幔 特 征 １８ 图 ７ 表 １ 该区碳酸岩脉具有非常高的 δ ＯＳＭＯＷ 比值 图 ７ｂ 表 １ 这些地球 化学特 征完全不同于源自地幔源区的火成碳酸岩

11 394 地质科学 2013 年 样品号 表 1 沃卡地区壳源火成碳酸岩铷 锶 钐 钕含量和锶 钕同位素组成及碳 氧同位素比值 Table1 IsotopesaswelascontentsofRb,Sr,Sm andndofcarbonicdykeswithinwokagarben,southtibet Rb /μg/g Sr /μg/g 87 Sr/ 86 Sr ±2σ Sm /μg/g Nd /μg/g 143 Nd/ 144 Nd ±2σ δ18 O VSMOW / δ 13 C VPDB / E E E E E E E E E E D 铷 锶 钐 钕元素含量是在地科院地质所由唐索寒 王进辉等人运用 MAT262 固体同位素质谱计, 采用同位素稀释法测定, 采用同一仪器完成了 Sr 同位素组成测试, 国际标准 NBS987SrCO 3 的测定结果为 87 Sr/ 86 Sr= ± 14(2σ), 采用 88 Sr/ 86 Sr= 进行 Sr 同位素质量分馏校正 仍由唐索寒等人采用多接收器等离子体质谱 (Nu Plasam HRMC ICP MS) 完成 Nd 同位素组成的测试,JMCNd 2 O 3 的测试结果为 143 Nd/ 144 Nd= ±10(2σ), 采用 146 Nd/ 144 Nd= 进行 Nd 同位素质量分馏校正, 具体测试流程见何学贤等 (2007) 碳 氧同位素比值测试是由王旭在中国科学院地质与地球物理研究所内完成 采用 GasBenchⅡ 碳酸盐反应装置与 MAT253 同位素比值质谱仪在线测定碳酸盐样品的碳和氧同位素比值 测试过程 : 选取 300μg 左右的样品, 在 72 下与百分之百正磷酸反应 1h, 产生的二氧化碳气体经过在线纯化和分离后进入同位素比值质谱仪进行测定 采用碳酸盐国际标样 NBS 19 进行校正 分析误差 : 碳为 0 1 以内, 氧在 0 5 以内 据 δ 18 O VSMOW = δ 13 C VPDB 换算 δ 18 O VSMOW 比值 图 7 沃卡碳酸岩区碳酸岩脉同位素地球化学特征 ( 代表性数据见表 1) a.sr Nd 同位素组成特征 ( 底图据 Hofmann,1997 修改 );b.c O 同位素组成特征 幔源碳酸岩 C O 同位素比值范围 ( 见图左下方框所示 )( 引自 KelerandHoefs,1995) Fig.7 IsotopesofcarbonicdykeswithinWokagarben,southTibet.SeleceddataarelistedinTable1 a.sr Ndisotopicdiagram,thebackgroundafterHofmann(1997)forcomparison;b.Plotofδ 18 O SMOW δ 13 C PDB data forcabonicdykes.boxfor primaryigneouscarbonatites (afterkelerandhoefs,1995)

12 ２期 刘 焰 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 ３９５ ３ ３ 日喀则岩区 岩脉多呈近南北向产出于张性裂隙 中 图 ８ 单个 岩脉东 西宽 可达 １００ｍ 南 北 向 延伸达 ５００ｍ左右 该区碳酸岩脉主要由方解石 组成 偶见 硅酸 盐矿物 如硅灰 石 黝 帘 石等作为副矿物产出于该 区 方 解 石 脉 中 可 见 该 岩 体 捕 获 了 花 岗 岩 碎 块 图 ８ 具 有 清晰特征的蚀变带 图 ８ 镜下观察 蚀变带为典型的矽卡岩 代表性 的矿物 组合为富 钙的石榴石 富钙的透辉石 黝帘石 斜长石 图 ８ｂ 图 ８ 绿泥石 绿帘石 斜长石 黝 帘石等 图 ８ 日喀则碳酸岩区碳酸岩脉地质特征 野外产状 碳酸岩脉 浅色 侵位于花岗闪长岩 深色 内 发育矽卡岩化 红色 碳 酸 岩 脉 中 尚 可 见 花 岗 闪 长 岩 捕 虏体 ｂ和 矽卡岩显微照片 矿物缩写据 Ｗｈ ｎ ｙ ｎｄｅｖ ｎ ２０１０ 粗 粒 钙 铝 榴 石 被 透 辉 石 黝 帘 石 组 成 的 细 脉 与粗粒方解石脉区分开 Ｆ ８ Ｃ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｗ ｈ ｎｘ ｚ ｕ ｈｔ ｂ ｈ ｎ ｕｄ ｄ ｎ ｄ ｙ Ｔｈ ｋ ｎ ｐ ｄ ｈ ｂ ｎ Ｆ ｄｐｈ ｈ ｗ ｎ ｈ ｈ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｄｙ ｋ ｗ ｈ ｎ ｄ Ｔｈ ｂ ｎ ｄｙ ｋ ｈ ｖ ｎ ｄ ｘ ｎ ｈ ｂ ｎｄ Ｍ ｐｈ ｆ ｋ ｎ Ｍ ｎ ｂｂ ｖ ｎ ｆ Ｗｈ ｎ ｙ ｎｄｅｖ ｎ ２０１０ Ｃ ｕ ｗ ｐ ｄｗ ｈ ｂｙｆ ｎ ｎ ｄｄ ｐ ｄ ｎｄ ｎ ｚ

13 396 地质科学 2013 年 3 4 碳酸岩类岩石特征对比近来, 各地陆续报道了壳源火成碳酸岩, 特别是常在典型陆 陆碰撞造山带内常发现此类岩石产出, 如大青山 (Wanetal.,2008) 西昆仑阿图什木吉 ( 任建德等,2007) 南墨西哥 (Dostaletal.,2004) 也门共和国 Abyan 省 (LeBasetal.,2004) 等, 充分说明壳源火成碳酸岩广泛出露于自然界内 根据已有的研究成果, 本文试图进一步总结幔源 壳源火成碳酸岩 大理岩以及沉积碳酸盐岩的基本特征与鉴别标志, 详见表 2 从表 2 可以看出, 壳源火成碳酸岩是一新类型的火成岩, 与幔源火成碳酸岩的主要区别为 : 具有矽卡岩化为特征的围岩蚀变带, 地球化学特征完全不同于地幔火成碳酸岩, 稀土元素含量极低, 一般不含稀土矿物等 ( 表 2) 表 2 各类碳酸岩类岩石特征对比表 Table2 Comparsionofcarbonaterocks 幔源火成碳酸岩 壳源火成碳酸岩 大理岩 沉积碳酸盐岩 野外产状 侵入构造, 如岩脉 岩枝等, 也可呈喷出岩产出, 常捕获围岩包体, 不具有沉积层理 侵入构造, 如岩脉 岩枝等, 常捕获围岩包体, 不具有沉积层理 仍可保留原始沉积层理, 不具有火成岩的侵入构造, 不含有围岩包体 具有沉积层理, 不含有围岩包体 共生组合 常与碱性岩 ( 如黄长岩 霞石岩 霓霞岩 ) 等幔源岩石共生 未发现共生岩浆岩 与变质杂岩共生 常与泥质岩等典型沉积岩共生 矿物组合 非常复杂, 目前已在此类岩石中发现了 400 余种矿物, 以含丰富的稀土矿物为特征 相对较简单, 以不含稀土矿物为特征 非常简单, 不含稀土矿物 简单, 可与石英 粘土类矿物共生, 不含稀土矿物 蚀变岩带 常具有以霓长岩化为代表的蚀变岩带 以矽卡岩为代表的蚀变岩带 无 无 流体包裹体 以水和 CO 2 气 液混合包裹体和熔体包裹体为主 以水和 CO 2 气 液混合包裹体为主, 局部可发育熔体包裹体 无 在油气区复杂, 常含有机质包裹体和 CH 4 H 2 S 等还原性强的气体包裹体, 无熔体包裹体 微量元素含量特征 常高度富集 Sr Ba Th LREE Cs Rb Ti Nb Ta F 和 P, 往往形成相关矿产, 但来源富集地幔的岩石可不具备这些特征 局部 Sr 含量较高, 一般微量元素含量比较低 基本同壳源碳酸岩, 微量元素含量比较低 基本同壳源碳酸岩, 微量元素含量比较低 同位素组成 ( 比值 ) 特征 可再细分二类 :1) 来源亏损地幔 δ 18 C SMOW 比值一般比较 者, 87 Sr/ 86 Sr 比值变化较小, 一 高, 常 大 于 16 般介于 ~ 之间 初始 ε Nd 值一般介于 0~+4 之间 δ 13 C PDB 比值一般介于 -8 ~-4,δ 18 C SMOW 比值一般介于 87 Sr/ 86 Sr 比值变化较大, 且大于 0 706, 初始 ε Nd 值一般小于 0, 变化也较大, 通常位于富集 地幔 Ⅱ 区 5 5 ~17 4 之间 2) 来源富集地幔者, 87 Sr/ 86 Sr 比值变化较大, 常常大于 0 706, 而初始 ε Nd 值一般小于 0 基本同壳源碳酸岩 基本同壳源碳酸岩 成因机制 含水和 CO 2 地幔岩石的 ( 极低 ) 部分熔融 含碳酸盐矿物的壳源岩石在高温下的脱碳 由沉积碳酸盐岩变质而来 化学沉积成岩作用

14 2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 藏南碳酸岩脉成因分析 壳源碳酸岩形成的实验岩石学研究和数值模拟结果均充分说明 : 俯冲洋壳的脱水以及随后的部分熔融是根本不可能产生壳源火成碳酸岩浆, 主要原因是俯冲洋壳的地温梯度还太低, 不足以让俯冲的碳酸盐矿物发生热分解 发生部分熔融等作用 (Dasguptaet al.,2004;connoly,2005) 波密岩区的碳酸岩脉形成于上新世 第四纪 (Liuetal., 2006) 沃卡和日喀则等岩区的岩脉多侵位于近南北向裂谷中, 而青藏高原近南北向裂谷形成时代多为中中新世以来 (Harisonetal.,1992;Blisniuketal.,2001;Garzione,et al.,2003,gengetal.,2009), 可以认为壳源碳酸岩浆就位时间一般不会早于 20Ma, 此时印度陆块已俯冲于亚洲之下, 地球物理探测表明此时陆块俯冲是以低角度俯样式 ( 所谓的 平板 俯冲 ) 楔入到冈底斯花岗岩基之下约 50km 附近 (Nabeleketal.,2009) 大量地球物理的研究充分表明青藏高原的地温梯度非常高, 是一个 热 的地壳, 在 50km 的深度上, 即使按陆壳平均地温梯度 30 /km 计, 温度也可达 ; 按静岩压力估算, 压力也可达 1 7GPa 因此, 在青藏高原地下 50km 附近, 温度达到 900 变质压力达到 15kbar 的估计是非常合理的 大量的研究充分揭示出 : 在此温压条件下, 俯冲陆块中的黑云母等含水矿物将发生脱水作用, 产生花岗岩浆 (Thompson,1982;Clemensand Vielzeuf,1987;ThompsonandConnoly,1995;YardleyandValey,1997;PatinoDouceand Haris,1998;Spearetal.,1999;WhiteandPowel,2002;Johnsonetal.,2008;Guilmete etal.,2011;groppoetal.,2012) 花岗岩浆再与其周边( 准 ) 同时平板俯冲的西瓦里克杂岩内的碳酸盐岩发生交代反应, 在厚厚的青藏高原地壳内释放出含钙镁离子, 以 CO 2 和水为主要组成的高温流体, 以及钙硅酸岩残余 这个过程非常类似于地表附近花岗岩浆侵位到碳酸盐岩地层里形成矽卡岩的这个过程 本文称这种富含 CO 2 的高温流体为壳源火成碳酸岩浆 这些富含 CO 2 的高温流体再沿地壳中的张性裂隙上侵, 在冈底斯花岗岩基内冷凝结晶形成碳酸岩脉, 同时再次与花岗岩等硅酸岩围岩发生交代反应形成矽卡岩 事实上, 东喜马拉雅构造结的高压麻粒岩相变质杂岩 (LiuandZhong,1997) 就是一个非常好的曾经历了这些脱水 脱碳过程的实例, 其中的钙硅酸岩就是形成于地下 50 km 附近的矽卡岩, 而熔体则分别为花岗岩浆与壳源火成碳酸岩浆 因此, 藏南壳源火成碳酸岩脉最可能来自平板俯冲印度陆壳的部分熔融作用, 其具体的形成过程为 :1) 平板俯冲陆壳遭受高温变质作用, 导致黑云母等含水矿物脱水, 形成花岗岩浆 ;2) 花岗岩浆再与准同时平板俯冲的大理岩发生交代反应, 导致大理岩脱碳, 并形成富含 CO 2 的熔 / 流体 : 壳源火成碳酸岩浆 ;3) 部分熔融的残余则非常类似于现今出露于喜马拉雅东部地区的高压麻粒岩相变质杂岩 (LiuandZhong,1997;Neogietal., 1998);4) 碳酸岩浆沿地壳内部的张性裂隙上侵, 冷凝结晶形成碳酸岩脉 5 讨论 最近几年, 许多学者陆续发现了青藏高原内部持续大量地向大气圈直接排放 CO 2, 特别是沿喜马拉雅山脉中部的主中央断裂带 (MCT) 展布的温泉带, 日夜不停地向大气圈直接排放大量的 CO 2 这个温泉带呈近东西向延伸达 2 000km 以上, 大致平行于喜马拉雅

15 398 地质科学 2013 年 山脉的走向, 已成为地表附近识别主中央断裂带的一个标志 当前研究程度比较高的温泉群是尼泊尔西部地区沿主中央断裂带分布的温泉群 详细的研究发现这一地区温泉 CO 2 排放量很可能大于同一地区硅酸岩化学风化所消耗的 CO 2 量 (Beckeretal.,2008; Evansetal.,2008), 然后这些学者再将这一局部地区的研究结果外推至整个喜马拉雅山脉, 得出了喜马拉雅山脉是 碳源 的结论, 更进一步推论出 : 喜马拉雅造山运动导致了全球变暖 需要指出的是, 硅酸岩的化学风化程度主要受两个因素控制 : 温度与降水量 温度越高, 降水量越大, 则硅酸岩的化学风化就越强, 就越能吸收大气 CO 2, 这就是为何赤道附近的硅酸岩极容易发生化学风化作用, 并形成厚厚的土壤层, 而寒冷干旱的青藏高原西北部的硅酸岩类岩石就不易发生化学风化作用的主要原因 另外, 由于缺乏土壤 寒冷与干旱等因素, 因此在青藏高原西北部, 生物稀少, 导致有机碳的埋藏速率也比较低 喜马拉雅山脉从东至西, 降水量逐渐降低 特别是珠穆朗玛峰之西, 降水量迅速下降 ( 王猛等,2008), 平均地表温度也呈下降趋势, 因此尼泊尔西部地区的硅酸岩的化学风化程度远远不及喜马拉雅东部地区 喜马拉雅东部地区出露有来自青藏高原下地壳的高压麻粒岩 (Davidsonetal.,1997;LiuandZhong,1997;Neogietal.,1998;Danieletal., 2003), 同时该地区发育厚厚的土壤 ; 而西部地区却无来自下地壳岩石的出露, 这充分证明了喜马拉雅东部地区的化学风化程度远远高于西部地区 此外, 前已指出, 从东至西, 喜马拉雅山前前陆盆地内的消耗大气 CO 2 所形成的有机碳含量也有一个明显的下降趋势, 这充分说明喜马拉雅山脉从东至西, 碳汇能力是下降的 因此, 不能将碳汇能力较低地区的观察结果简单地外延至整个喜马拉雅山脉 整个喜马拉雅山脉是碳源区 的观点因此是不正确的 小印度陆块以约 5 cm/a 的速率持续向北楔入大亚洲陆块之下, 富含新生碳元素的西瓦里克杂岩源源不断地被输入藏南高原之下 ( 图 9), 其中一个证据来自前述沿 MCT 断裂带展布的温泉的 CO 2 实测结果 : 约 30% 以上温泉排放的 CO 2 来源于有机碳 (Becker etal.,2008;evansetal.,2008) 高 低喜马拉雅结晶杂岩是变质岩, 均曾经历了相对高温的变质作用, 而在相对高温的变质作用下, 有机碳很难保存下来, 这就是高 低喜马拉雅结晶杂岩不含有机碳的主要原因, 只有新生的西瓦里克沉积杂岩才含有丰富的有机碳 因此沿 MCT 断裂带展布的温泉 CO 2 有机碳的确认充分证明了西瓦里克沉积杂岩确实被带入青藏高原内部, 经历了变质作用, 一部分有机碳因此被转化成富含 CO 2 的流体, 并被地热水捕获, 最终重返大气圈, 而更多的无机碳则继续被带往地球深部, 在含水和高温条件下发生前述之脱碳作用, 形成富含 CO 2 的高温流体 : 壳源火成碳酸岩浆 ( 图 9) 需要指出的是, 可用 前拉 后推 来描述藏南高原中 下地壳出露的过程 ( 图 9): 前拉 是指大气降水所引发的高喜马拉雅结晶杂岩的化学风化, 后推 是指印度陆块与亚洲陆块持续汇聚所产生的巨大的构造挤压力, 在这两方面的共同作用下, 将高喜马拉雅结晶杂岩这个曾经的藏南高原中 下地壳挤了出来, 在这挤出过程中消耗了巨量的大气 CO 2 高喜马拉雅结晶杂岩不断被化学风化所剥蚀, 同时不断有新生富含碳元素的物质源源不断地被带入高原内部, 从而达到一个动态的平衡 ( 图 9) 在此过程中将大气 CO 2 转化为固体或岩浆流体的形式储存于高原厚厚的地壳之内

16 2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 399 图 9 藏南深部碳循环模式图 Fig.9 SketchmapshowingdeepcarbonrecyclingwithinsouthTibetanPlateau 前述分析表明 : 大气 CO 2 经过一系列复杂的物理 化学过程, 大部分碳最终被转换成富含 CO 2 的流体 : 壳源火成碳酸岩浆, 并被圈闭于厚厚的藏南高原地壳之中, 只有少部分碳酸岩浆或富含 CO 2 的流体与天水混合, 得以重返大气圈 ( 图 9) 藏南高原之所以能够持续向大气圈排放 CO 2, 是因为它的内部有碳元素, 而这个碳元素又是最终来自大气圈的 CO 2, 是再循环的碳 ( 图 9) 因为青藏高原是在新生代才形成的高原, 白垩纪以前并不存在青藏高原 陆 陆碰撞 陆内俯冲之后, 大气 CO 2 浓度才开始下降 (Zachosetal., 2008), 因此青藏高原内部的碳元素只能来自大气, 所以青藏高原内部的碳元素均为再循环的碳 如果喜马拉雅山脉和藏南高原是 碳源, 那么其内部就不应该存在新生的富含 CO 2 的碳酸岩浆, 它们应该全部再次转化为 CO 2 排放进入大气圈 藏南高原内部晚新生代碳酸岩脉的存在充分证明了 : 在全球碳循环中, 藏南高原实际上是扮演 碳汇 的角色, 在其形成过程吸收 固化了巨量的大气 CO 2, 因此它是一个大气 CO 2 的储存地 今天, 喜马拉雅山脉和藏南高原仍在持续地将大气 CO 2 转化为碳酸岩浆的形式储存在厚厚的青藏高原地壳之内 ( 图 9) 通过藏南高原深部碳循环的研究还可以发现 : 地球本身具有自我调节的功能 当大气 CO 2 浓度过高时, 硅酸岩的化学风化速率将增强, 原先不能发生硅酸岩化学风化的地区也有可能发生新的化学风化作用, 并且, 有机碳的埋藏速率也将大幅提升, 从而大幅增加大气 CO 2 吸纳的能力 大气 CO 2 浓度过低时, 硅酸岩的化学风化速率将快速下降, 原先化学风化较强地区也有可能不再发生新的硅酸岩的化学风化, 吸纳大气 CO 2 能力因此下降, 同时地球内部还源源不断地向外排放 CO 2, 使得大气 CO 2 浓度大体保持一个动态平衡, 从而让地球表层温度大体维持常温态 一个比较好的例子就是尼泊尔西部的喜马

17 400 地质科学 2013 年 拉雅山区, 该地区目前高喜马拉雅结晶杂岩的化学风化强度比较低, 吸收 CO 2 的能力也比较弱, 很可能低于同一地区温泉排放的 CO 2 量 (Beckeretal.,2008;Evansetal., 2008), 因此该区很可能为 碳源 区 若未来由于人类自身排放所造成大气 CO 2 浓度的快速增加, 并导致全球平均温度的上升, 则尼泊尔西部地区的高喜马拉雅结晶杂岩的化学风化能力势必增强, 因为降水量与温度的升高, 必然导致以前的低温 降水量较少地区的硅酸岩化学风化能力的增强, 吸纳大气 CO 2 的能力因此大幅提高, 未来就有可能超过该地区温泉所排放 CO 2 的量, 这一地区将由 碳源 区变成 碳汇 区 同样, 若未来大气 CO 2 浓度过低, 比如接近零, 喜马拉雅东部地区硅酸岩的化学风化作用将停止, 但该区的温泉仍不断地向外排放 CO 2, 这时喜马拉雅东部地区就有可能从 碳汇 区, 变成像西部地区那样成为 碳源 区 只有在这种极端条件下, 整个喜马拉雅山脉才有可能成为碳源区 因此, 全球性的构造运动才是大气 CO 2 浓度长周期变化的第一驱动力 人类巨量的碳排放在短期内确实可以快速增加大气 CO 2 的浓度, 但从稍稍较长的时间段来看, 它仍然要服从这个规律, 即大气 CO 2 浓度既不可能无限上升, 也不可能降为零 地球本身将自动调节大气 CO 2 浓度, 使之在一个较小范围内波动 6 结论 本文无意排斥 反对 碳减排 任何之举措, 只是想强调大气 CO 2 不是 洪水猛兽, 更不是什么污染物 大气圈 CO 2 浓度的变化是由地球内部的构造运动所主导 即使在人类大量排放 CO 2 的今天与明天, 地球本身, 特别是喜马拉雅山脉和青藏高原, 完全有能力来固化这些新增加的巨量大气 CO 2, 大可不必谈 CO 2 而色变 后天 里所描绘的 世界末日 仅仅只是天才艺术家们的幻想, 没有科学依据, 永远不会因为人类的碳排放而降临 致谢谨以此文庆祝钟先生 80 寿辰 感谢先生带领笔者走进东喜马拉雅构造结, 悉心引导笔者在这块神奇土地上开展研究工作, 指导笔者完成了博士论文 虽然笔者有幸获得博士学位, 但问题层出不穷, 吸引笔者长期为之努力, 本文即为该博士论文后续工作之初步总结 希望此文能回馈先生早年精心的指导, 并祝先生身体健康 中国科学院广州地球化学研究所赵斌等人完成本文的流体包裹体研究工作 野外调查得到了西藏地调院刘鸿飞 蒋光武 黄伟等 西藏区调队曾庆高等 西勘集团胡敬仁等 福建地调院西藏项目组陈珍宝 魏勇 林建平 陈中央等 ; 陕西区调队西藏项目组张文峰等诸位先生们的大力支持与帮助 在此一并表示衷心的感谢 参考文献 常承法, 郑锡澜.1973a. 中国西藏南部珠穆朗玛峰地区构造特征. 地质科学,8(1):1 12. ChangChengfaandZhengXilan.1973a.TectonicfeaturesofthemountJolmoLungmaregioninsouthernTibet,China.Chinese JournalofGeology(ScientiaGeologicaSinica),8(1):1 12. 常承法, 郑锡澜.1973b. 中国西藏南部珠穆朗玛峰地区地质构造特征以及青藏高原东西向诸山系形成的探讨. 中国科学 (A 辑 ),(2):

18 2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 401 ChangChengfaandZhengXilan.1973b.ThegeologicalfeatureofZhumulanmafengregioninsouthernTibet(China)andthe formationofthee W rangesintibet.scienceinchina(seriesa),(2): 常承法, 肖序常 特提斯在青藏高原段的演化. 见 : 肖序常编, 喜马拉雅岩石圈构造演化. 北京 : 地质出版社 ChangChengfaandXiaoXuchang.1988.TectonicevolutionoftheeasternTethysinQinghai Xizang(Tibet)Plateau.In:Xiao Xuchang(Ed.).TectonicEvolution ofthecrust UpperMantleoftheQinghai Xizang(Tibet)Plateau.Beijing: GeologicalPublishingHouse 高延林, 肖序常, 常承法等 青藏高原及邻区构造单元划分及其地质构造. 见 : 肖序常编, 喜马拉雅岩石圈构造演化. 北京, 地质出版社 GaoYanlin,XiaoXuchang,ChangChengfaetal.1988.TectonicunitsoftheQinghai Xizang(Tibet)Plateauanditsadjacent areasandtheirgeotectonicfeatures.in:xiaoxuchang(ed.).tectonicevolutionofthecrust UpperMantleofthe Qinghai Xizang(Tibet)Plateau.Beijing:GeologicalPublishingHouse 何学贤, 唐索寒, 朱祥坤等 多接收器等离子体质谱 (MC ICPMS) 高精度测定 Nd 同位素方法. 地球学报,28(4): HeXuexian,TangSuohan,ZhuXiangkunetal.2007.PrecisemeasurementofNdisotopicratiosbymeansofmulti colector magneticsectorinductivelycoupledplasmamassspectrometry.actageoscientiasinica,28(4): 纪伟强, 吴福元, 锤荪霖等 西藏南部冈底斯岩基花岗岩时代与岩石成因. 中国科学 (D 辑 ),39(7): JiWeiqiang,WuFuyuan,ChungSunlinetal.2009.GeochronologyandpetrogenesisofgraniticrocksinGangdesebatholith, southerntibet.scienceinchina(seriesd),52(9): 刘焰, 马? 生, 韩秀伶等 西藏南迦巴瓦峰地区发现的星叶石. 岩石矿物学杂志,16(4): LiuYan,MaZhesheng,HanXiulingetal.1997.Astrophylitefrom thenamjabarwaarea,easterntibet.actapetrologicaet Mineralogica,16(4): 刘焰, 钟大赉, 韩秀玲等 东喜马拉雅构造结发现的富碳硼镁钛石 : 硼镁钛石的新亚种. 地质科学,35(2): LiuYan,ZhongDalai,HanXiulingetal.2000.C richwarwickitefromtheeasternhimalayansyntaxis:anewvariety.chinese JournalofGeology(ScientiaGeologicaSinica),35(2): 刘焰, 王猛 2010 喜马拉雅变质岩及构造特征. 见 : 肖序常编. 青藏高原的碰撞造山作用及效应. 北京 : 地质出版社 LiuYanandWangMeng.2010.MetamorphiccomplexanditstectonicsignificanceintheHimalayanregion.In:XiaoXuchang (Ed.).ColisionalTectonicsandItsEfectsoftheQinghai TibetanPlateau.Beijing:GeologicalPublishingHouse 刘志飞, 王成善 新生代全球变冷与青藏高原隆升的关系. 矿物岩石,18( 增刊 ): LiuZhifeiandWangChengshan.1998.RelationbetweenCenozoicglobalcoolingandQinghai TibePlateauuplift.Journalof MineralogyandPetrology,18(suppl.): 任建德, 卢书炜, 裴中朝等 新疆阿图什地区木吉一带的火成碳酸岩 来自地质 地球化学分析的证据. 地质通报,26(12): RenJiande,LuShuwei,PeiZhongchaoetal.2007.IgneouscarbonatiteintheMujiarea,Artux,Xinjiang,China:Evidencefrom geologicalandgeochemicalanalyses.geologicalbuletinofchina,26(12): 王猛, 刘焰, 何延波等 喜马拉雅山脉的地质地貌特征 : 来自 SRTM 数字高程模型和降水量数据的约束. 地质科学,43(3): WangMeng,Liu Yan,HeYanboetal.2008.GeomorphiccharacteristicsoftheHimalayan Mountainsand itstectonic implications:newinsightsfrom SRTM digitalelevationmodelandprecipitationdata.chinesejournalofgeology,43 (3): 赵斌, 赵劲松, 汪劲草等 一种可能的新碳酸岩类型 : 壳源成因碳酸岩. 地球化学,33(6): ZhaoBin,ZhaoJinsong,WangJincaoetal.2004.A possiblenewcarbonatitetype:crust derivedcarbonatite.geochimica,33

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22 2 期刘焰 : 藏南碳酸岩脉成因及其气候效应 405 hasdecreasedsincetheendoftheeocene.itisgeneralyacceptedthatthislong term global coolingisperhapsa consequence oflong term decreasing ofglobalco 2 concentrations. However,itisstilunknownwhereandhowthehugeatmosphericCO 2 sinked.thehypothesisof globalwarminginthenearfutureis,therefore,lackofsolidevidencewhenthequestionsremain unknown.sincethecenozoic,indiancontinenthascontinuouslyflightednorthwardsandhit Asiancontinentfinialy,leadingtothecloseoflargerNeo TethyanOceanandsubsequentuplift ofhimalayanmountainsaswelastibetanplateau.a Raymo hypothesisthattheupliftand subquenterosionofthehimalayan TibetanorogenhasdrawndownatmosphericCO 2 andcooled theglobeis,therefore,present.however,thishypothesishasbeenrecentlychalengedbythe studiesofdegassingofhotspringswithinhimalayanmountains.thesescientificargumentshave revealedthattraditionalapproachesto surface carbon recycling have hardly satisfied the demandsofcurentsociety.inthisstudy,theroleofhimalayanmountainsandsouthtibetan Plateauintheglobalcarboncyclingisre evaluated.duringcolisionbetweenindianandasian continents,the Himalayan Mountainshave quickly uplifted and hence underwentstronger chemicalweathering,leadingtotheformationofcarbon richsiwalikformationwithinthenorth ofgange foreland basin to the south ofhimalayan Mountains.The carbon rich Siwalik formation,attheexpenseofhugeatmosphericco 2,hasbeensubsequentlytransferedintothe interioroftibetan Plateau with flat subducted Indian crust.somecarbon from theburied SiwalikformationbeneathHimalayanMountainshasbeenreleasedbacktoatmospherethrough hotsprings.mostcarbonhad,however,transferedintodeepinterioroftibetanplateaualong withsubductedindiancrust.thebiotitewithinthesubductedslabunderwentdehydrationto form graniticmagmasbeneathsouthtibetanplateau.themetasomaticreactionsbetweenthe graniticmagmasandthesubductedcarbon richsiwalikformationtookplacetoreleasehigh temperatureco 2 rich fluidsbeneath Tibetan Plateau,regarded ascrustal derived carbonic magmasin thisstudy.themagmas/fluidsintruded intosouth Tibetan uppercrusttoform carbonicdykes.thehugeatmosphericco 2 has,therefore,been transformed intocarbonic magmaswithinthickenedcrustofsoutherntibetanplateauduringthecolisionbetweenindia andasia.thecarbonemitedbyhotspringsaswelasvolcanoeswithintibetanplateauwas originatedfrom atmosphere.itisrecyclingcarbon.thecarbonemisionsfrom TibetanPlateau areslightlylessthanthosesinkedbytibetanplateau.otherwise,thecarbonicdykes,formedby consuminghugeatmosphericco 2,neveroccuredwithinTibetanPlateau.Thisclearlysuggests thathimalayanmountainsandsouthtibetanplateauareahugereservoirforatmosphericco 2, leadingtoglobalcoolingduringcenozoictimes.moreover,thechangingofatmosphericco 2 was mainlyderivedbyearth stectonicactivities,andnotbymankind.globalchangingisonlya naturalphenomenon,withoutanyrelationshipscarbonemisionsofhuman. KeyWords Deepcarbonrecycling,TibetanPlateau,Carbonemision,Carbonsinking