碳酸岩是主要由方解石、白云石、铁白云石等碳酸盐矿物和少量硅酸盐矿物组成的岩浆岩，碳酸盐矿物比例大于50%，SiO₂含量通常小于20% (Le Maitre et al., 2002) 。碳酸岩的研究历史相对较短，最早由Bose (1884) 提出，Högbohm (1895) 首先对瑞典Alnö碳酸岩进行了研究，但是否存在岩浆成因的碳酸岩，一直存在很大争论，直到20世纪60年代初在非洲坦桑尼亚东部发现了正在喷溢的碱性 (钠质) 碳酸岩火山 (Dawson，1962) ，才开始广泛被接受与认同。随着研究的不断深入，发现碳酸岩起源地幔，而且与稀土、铌等稀有战略矿产资源关系密切，因而越来越受到重视 (宋文磊等，2013) 。碳酸岩产出小且少，稳定性较差，容易被风化、剥蚀，而且很容易与其他类型的碳酸盐岩混淆。据Woolley和Kjarsgaard (2008) 的不完全统计，截至于2008年，全世界报道的碳酸岩仅有527处，其中喷发相型47处，独立产出的岩体 (无共生/伴生碱性硅酸岩) 110余处。尽管碳酸岩的产出较少，但其分布非常广泛，遍布了全世界七大洲 (图 1) ，非洲西北近海地带的Canary Islands、Cape Verde等地还发现了几处洋岛背景产出的碳酸岩 (Hoernle et al., 2002) 。

图 1

图 1 全球碳酸岩分布图 (引自Woolley和Kjarsgaard，2008) 和中国造山带碳酸岩产出位置 Figure 1 Distribution of carbonatite of the world (modified from Woolley and Kjarsgaard, 2008)

从形成时代上看，从太古代至今都有碳酸岩的产出，其中最古老的碳酸岩距今已约30亿年，位于格陵兰西部的Tupertalik (Bizzarro et al., 2002) ，而最年轻的当属非洲坦桑尼亚的OlDoinyo Lengai碱质火山碳酸岩，20世纪60年代首次观察到其喷溢活动之后，2007年后又发现了一次新的喷溢记录，规模比较小，但活动时间较长，一直到2012年还有活动迹象 (Bosshard-Stadlin et al., 2014) 。碳酸岩的产出有2个较为明显的高峰和低谷，高峰期主要集中于元古代 (古元古代末-新元古代1800~650 Ma) 和白垩纪-新生代。

目前已知的大多数碳酸岩主要产于裂谷背景的板内环境，如德干高原、加拿大地盾 (东南部) 、东非大裂谷系和西伯利亚地盾等地区，其成因被认为与地幔柱活动相关 (Ernst and Bell, 2010) 。近年来，在一些造山带均发现了碳酸岩，这对研究深部碳循环 (地球表层-地幔系统之间) 具有重要价值。碳在地球深部属于不相容元素，含量非常少，它在地球深部的储存形式以及起源过程是目前关注的焦点。随着环境和气候的日益恶化，人们益发关注地球各圈层之间物质和能量的交换，以及地球内部碳 (主要是以CO₂的方式) 的释放对地表环境、气候变化的影响，关于地球表层的碳循环 (气圈-水圈-生物圈-土壤圈) 已有大量的研究成果，但由于条件所限，对地球深部的了解还相对较少，大部分认识主要基于高温高压实验工作。因此，加强对碳在地球内部的分布、存储和循环的研究，不仅对于认识地球内部碳的来源，而且对全球规模的碳循环作用的认识，都具有十分重要的作用和意义 (Hirschmann et al., 2009；Dasgupta and Hirschmann, 2010) ，而造山带碳酸岩的研究，是一个重要的突破口。

目前在芬兰、加拿大、巴基斯坦和中国的造山带内均有碳酸岩产出。芬兰楠塔利 (Naantali) 碳酸岩位于波罗的海地台 (Woodard and Hetherington, 2014) ，该区域分布有1.92~1.88 Ga的岛弧火山岩，1.83~1.81 Ga的高温麻粒岩以及由泥质混合岩、玄武质和安山质钙碱性变质火山岩、英云闪长岩、重熔花岗岩组成的混杂岩，显示波罗的海地台经历了早元古代的俯冲和造山过程。楠塔利碳酸岩呈脉体产出，与钾质煌斑岩共生，它们主要由方解石组成，含少量磷灰石和副矿物褐帘石、榍石和透辉石。碳酸岩的锆石和独居石U-Th-Pb年龄为1.8 Ga，显示它们为造山带的产物。加拿大马尼托巴碳酸岩位于北美地台的元古代哈德森中央造山带 (Trans-Hudson Orogen) (Chakhmouradian et al., 2008) 。该造山带是太古代三大板块 (Hearne，Superior和Sask克拉通) 拼合的产物，它们主要由1.9 Ga的变质火山岩+变质沉积岩组成的绿岩带组成。绿岩带被1.8 Ga的辉长岩和同碰撞花岗岩侵入。马尼托巴碳酸岩呈脉体，侵入正长岩内，它们主要由方解石组成，含少量磷灰石和单斜辉石，副矿物包括褐帘石、榍石、锆石、角闪石、金云母、磁铁矿、重晶石和萤石。马尼托巴碳酸岩的成岩年龄并没有报道，但它们具有低的δ¹³C组成，Chakhmouradian等 (2008) 提出来源于地壳俯冲的物质。在巴基斯坦的喜马拉雅造山带也有碳酸岩的产出 (Tilton et al., 1998) ，主要分布在Loe Shilman和Sillai Patti地区，它们呈脉体产出，主要由方解石组成，黑云母的Rb-Sr年龄为31 Ma。Loe Shilman碳酸岩与钾质岩和煌斑岩密切共生，而Sillai Patti呈独立脉体产出。

中国造山带发育，也蕴藏了大量的碳酸岩，包括四川攀西喜马拉雅期造山带、秦岭造山带和华北中央造山带 (图 1) 。四川攀西地区北起牦牛坪，向南经里庄至大陆乡，纵贯冕宁、西昌、德昌3县市，长150 km以上的碳酸岩带。碳酸岩主要呈脉体或透镜体产出，与石英正长岩密切共生。牦牛坪碳酸岩产状总体与北东向断裂一致，主脉两侧有细脉侵入正长岩。脉宽90~200 m，沿倾向延伸400 m未尖灭。岩脉主要由方解石组成，次为黑云母、霓石、霓辉石、钠铁闪石和正长石等，常见副矿物有磷灰石和榍石等。岩脉边缘发育霓长石化和钠铁闪石化。蒲广平 (2001) 获碳酸岩脉中镁钠铁闪石K-Ar为32 Ma，与区内正长岩年代 (K-Ar稀释法年龄为28~40 Ma) 相近。里庄碳酸岩规模较小，呈透镜体产于正长岩内，其矿物组成与牦牛坪相似。碳酸岩中辉钼矿Re-Os模式年龄为28 Ma、黑云母Ar-Ar年龄为31 Ma (田世洪等，2008) ，与正长岩的Ar-Ar年龄 (27 Ma) 相近。大陆乡碳酸岩沿走滑断裂形成的构造裂隙侵入，岩体周围角砾岩筒发育，其矿物组成基本与牦牛坪相似，但出现天青石和石英斑晶，其黑云母Ar-Ar年龄为13.2 Ma (田世洪等，2008) 。四川攀西地区位于扬子克拉通的西缘，从元古代至新生代经历了复杂的构造演化 (Hou et al., 2009):元古代原特提斯洋板块向扬子板块下俯冲；古生代的古特提斯洋板块在早二叠世向西的俯冲，导致了扬子板块西缘转变为被动大陆边缘；中二叠世的地慢柱活动，在扬子克拉通的西缘形成了近南北展布的攀西古裂谷；60~45 Ma印度-亚洲大陆板块的大规模碰撞，扬子克拉通西缘进入喜马拉雅期碰撞造山作用，形成了位于印度-亚洲大陆碰撞带东缘的碰撞造山带，发育了一系列新生代走滑断裂系统，因此攀西喜山期碳酸岩的成因与地壳物质的俯冲循环存在密切联系，它们也蕴藏了中国第二大的轻稀土成矿带，稀土矿物主要以氟碳铈矿为主，与萤石和方解石形成稀土矿脉 (Xu et al., 2008, 2012；Hou et al., 2009；Liu et al., 2015；Xie et al., 2015) 。

秦岭造山带是华北与扬子两大地质构造单元的分界和衔接地，在中国大陆地质构造演化中占有重要地位。前人对秦岭造山带进行了大量深入的地质研究，取得了很多重要的研究成果，确定了扬子板块与秦岭微板块和华北板块之间的碰撞时限以及中新生代陆内造山作用与构造演化等 (张国伟等，2001；张本仁等，2002；路凤香等，2006) 。在志留-泥盆纪，扬子板块和华北板块之间出现秦岭古洋盆，古秦岭洋向北俯冲碰撞，形成了商丹缝合线。在古秦岭洋向北俯冲碰撞的同时，扬子板块北缘演化出独立的秦岭微板块。三叠纪，扬子板块顺时针转动，与华北板块拼合碰撞，导致秦岭洋向北俯冲闭合以及强烈的陆内造山活动。秦岭造山带从南到北依次划分为南秦岭、北秦岭和小秦岭，其中南北端元均有碳酸岩的产出，包括南秦岭的湖北庙垭和小秦岭的陕西华阳川、黄龙铺等地 (Xu et al., 2007, 2010a) 。湖北庙垭碳酸岩位于南秦岭武当地块西南缘，呈岩株状侵入元古界耀岭河群中。碳酸岩与正长岩在空间上共生，主要由方解石组成，含有少量黑云母、霓石、磷灰石和长石等矿物。Xu等 (2014) 获得碳酸岩内独居石的U-Pb年龄为232 Ma。陕西华阴至洛南一线的华阳川、垣头、黄龙铺等地的碳酸岩产于秦岭造山带北缘的小秦岭，碳酸岩主要呈脉状，侵入太古界太华群和中元古界熊耳群的变质岩中，未见同时代的碱性岩出露。碳酸岩主要属方解石碳酸岩，普遍含有石英、霓石、钠铁闪石、金云母、天青石、磷灰石和长石等。Stein等 (1997) 和Song等 (2015) 获得黄龙铺和垣头碳酸岩内辉钼矿的年龄分别为221 Ma和226 Ma。尽管南北秦岭造山带的碳酸岩为三叠纪造山带的产物，但其产状和成矿物质明显不同。南秦岭庙垭碳酸岩呈岩株状，富含原生的稀土矿物，包括磷灰石、独居石和氟碳铈矿等，是大型轻稀土矿床。小秦岭碳酸岩内富含辉钼矿，是中国大型钼矿床，也是世界上唯一一处碳酸岩型钼矿床 (Xu et al., 2010a) 。

华北板块是世界上最古老的 ( > 38亿年) 克拉通之一，它经历了复杂的地质变迁，在太古宙末 (约25亿年) 形成东、西板块，在古元古代 (19~18.5亿年) 东、西板块沿着中央造山带碰撞拼合 (Zhao et al., 2005) ，最终完成了克拉通化。然而华北克拉通却表现出与世界其他克拉通十分不同的特征：从18亿年至古生代一直保持相对稳定，并存在巨厚的太古宙岩石圈根 (包括下地壳和岩石圈地幔) ，但构造地质学、地幔包体和岩浆岩的岩石学和地球化学以及地球物理 (包括地震和地热) 研究均证明 (吴福元等，2008) ，华北克拉通自中生代以来遭受了强烈的活化改造，发生了大规模的构造变形和岩浆活动，形成了多种类型的盆地，并伴随产生了大量金属矿产和油气资源，使原有的克拉通结构和性质遭到明显的破坏，被认为是世界上古克拉通被移离的最佳实例。因此，华北克拉通破坏 (或岩石圈减薄) 已成为继青藏高原和大别-苏鲁超高压变质带之后，中国又一在国际地球动力学界引起广泛关注的重大科学问题，已成为国际地球科学前沿研究领域。内蒙古丰镇和河北右所堡碳酸岩位于中央造山带内，两地碳酸岩均与辉石岩密切共生，呈脉状产出，富含磷灰石，已达到小型磷矿床。丰镇地区的围岩主要为石榴斜长片麻岩、石英岩、石榴黑云片麻岩、石墨片麻岩、大理岩和钙硅质片麻岩。镜下观察显示，该碳酸岩主要由方解石组成，次要矿物和副矿物主要包括辉石、磷灰石、金云母、尖晶石、钙钛矿、钛铁矿和稀土矿物。右所堡出露围岩主要为英云闪长质片麻岩、片麻岩、辉长质片麻岩和斜长角闪岩，其碳酸岩矿物组合与丰镇相似。

碳酸岩通常以小的岩脉、岩墙、岩株、岩锥产出，与金伯利岩、煌斑岩、辉长岩、辉石岩、霓霞岩、霞石岩、粗面岩、响岩、黄长岩和正长岩等碱性硅酸岩构成环状杂岩体，也有独立产出的碳酸岩。大量同位素地球化学和高温高压实验证实碳酸岩起源于地幔，其岩浆平衡压力大于3 GPa (Wyllie and Huang, 1975) 。与硅酸盐熔体相比，碳酸岩熔体相对富含挥发分，而固液温度、黏度 (1.5×10^-2~5×10^-3 Ps) 和密度 (2.2 g/cm³) 均较低 (Dobson et al., 1996) ，极易流动，富含不相容元素，扩散速率很大，在其上升穿越相对较“冷”的岩石圈地幔时，可与地幔二辉橄榄岩等进行反应，促使地幔交代作用发生，在改变地幔矿物学特征和化学成分的同时，释放富含CO₂的流体 (Dasgupta et al., 2009) 。上世纪80年代以来，碳酸岩的研究快速发展，特别是在同位素和实验岩石学方面取得了很多重要进展和新认识： (1) 碳酸岩普遍富含Sr和Nd，可以缓冲地壳物质混染的影响，而保留和记录地幔源区的Sr、Nd同位素组成 (Bell，1998) ； (2) 碳酸岩熔体是引起地幔交代作用和地幔地球化学不均一性的重要介质之一，0.1%碳酸岩溶体的交代作用，将能导致地幔源区30%~60%不相容元素的活化迁移 (Dasgupta et al., 2009) ； (3) 碳酸岩的成因与地幔热柱活动有关 (Marty et al., 1998) ； (4) 碳酸岩源区形成于HIMU-EM1地幔端元的混合作用 (Bell and Simonetti, 2010) 。然而碳酸岩与共生碱性岩的成因联系一直是争论的焦点，包括：直接来源于地幔橄榄岩的低程度部分熔融作用，与碱性岩并无成因联系 (Wallace and Green, 1988) ；富CO₂的硅酸岩岩浆经过液态不混溶 (Kjarsgaard and Hamilton, 1989) 或分离结晶作用 (Lee and Wyllie, 1998) 形成碳酸岩和共生的碱性岩。

相对裂谷碳酸岩的研究，造山带碳酸岩与碱性岩的成因关系研究较少。Chakhmouradian等 (2008) 发现北美板块马尼托巴碳酸岩的Ba/Mn、Ba/La、Nb/Th值低于共生的正长岩，这与液态不混溶实验比值相反，因此，提出两类岩石并无成因联系。尽管许成等 (Xu et al., 2003) 提出攀西牦牛坪碳酸岩与正长岩有相似的年龄和Sr-Nd同位素组成，两者为液态不混溶的产物。但整个攀西地区碳酸岩都富集REE，但液态不混溶实验显示REE优先进入硅酸岩熔体相内，碳酸岩熔体并不富集REE (Veksler et al., 1998) 。值得注意的是，地表侵入的碳酸岩都是经历了不同程度的分离结晶作用，其化学组成并不能代表母体岩浆 (Xu et al., 2007) ，而实验结果来源于初始熔体。南秦岭庙垭碳酸岩是目前少有的呈岩株状侵入的岩体，是研究造山带碳酸岩与共生碱性岩成因联系的理想实验室。我们利用SHRIMP和LA-ICPMS分别确定了南秦岭湖北庙垭碳酸岩里的独居石U-Pb年龄234 Ma，与碳酸岩共生的正长岩内发现了两类岩浆锆石，其中相对粗晶的锆石U-Pb年龄766 Ma，细粒岩浆锆石年龄U-Pb年龄147 Ma (Xu et al., 2014, 2015) 。在同一岩体内，发现了多种岩浆锆石的年龄，显示锆石来源的多源性，很难代表真实的岩体就位年龄。镜下观察发现，碳酸岩和正长岩内均有许多石英-长石细脉侵入。这也暗示可能外来锆石的混入。而碳酸岩是贫硅岩浆，其是否能结晶出锆石一直存在争论 (Le Bas，2006) ，扫描电镜观察也未在碳酸岩内发现初始的锆石 (Xu et al., 2015) ，而独居石是该岩体内早期结晶矿物，也是定年的理想对象。

液态不混溶和分离结晶是碳酸岩与共生碱性岩的主要成因模式。庙垭碳酸岩富含原生的稀土矿物，它们的Pb含量也与正长岩相近，而液态不混熔实验显示REE，Pb优先配分入硅酸岩岩浆 (Veksler et al., 1998, 2012；Martin et al., 2013) ，这与庙垭碳酸岩富含REE和Pb的特征不相符。大量长石的分离结晶，将导致残余熔体具有低Ga/Rb和Cr、V、Ni含量 (Zajacz and Halter, 2007) ，而庙垭碳酸岩的Ga/Rb值 (0.7~8.8) 高于正长岩 (0.2~0.6) ，两者的Cr、V、Ni含量也相近，因此并不能用分离结晶模式来解释两者的成因联系。此外，庙垭碳酸岩的初始 (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i为0.7036~0.7040，ε_Nd为0.6~-1.1，而正长岩的初始 (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i为0.701~0.7034，ε_Nd为9.4~10.1。同位素特征也不支持两者有成因联系。笔者等在碳酸岩和正长岩内均发现有初始的磷灰石 (Xu et al., 2015) 。磷灰石富含不相容元素REE、Th、U、Sr和Ba等，它们在碳酸岩和硅酸岩岩浆体系的配分系数已有报道。因此，根据物质平衡和瑞利分离结晶公式，通过磷灰石的化学组成，可以计算它们的母体岩浆成分：

式中：C₀和C_S分别为初始岩浆和结晶固相的化学成分；D_S为固相在熔体中的配分系数；F为分离出的熔体比例。

基于上述公式的模拟结果显示，庙垭碳酸岩质岩浆比正长岩岩浆具有高的Sr和REE，低的Ba、Th、U、Nb和Ta含量 (图 2) 。初始碳酸岩熔体具有强的轻稀土富集，缺少Eu异常，而正长岩母体具有相对低的轻稀土富集程度和明显的Eu负异常。在长石/硅酸岩体系，Sr和Eu是相容元素，而Th和U是不相容元素，大量长石的分离结晶，将导致残余富碳酸质的硅酸岩岩浆亏损Sr和Eu，富集Th和U，从而使最后分离的碳酸岩岩浆继承上述4个元素的组成特征，这与模拟的结果并不相同。模拟的碳酸岩比正长岩岩浆具有更高的稀土组成，这与液态不混溶实验明显不同 (图 2) 。因此，尽管庙垭碳酸岩与正长岩在空间上共生，但两者并无成因联系。磷灰石是碳酸岩和碱性岩内最常见的副矿物，它们富含不相容元素，其微区成分的研究工作对揭示碳酸岩的成因具有重要意义。

图 2

庙垭碳酸岩和正长岩初始母体组成由早期结晶的磷灰石模拟计算 (Xu等，2015) 。液态不混溶实验引自Veksler等 (1998) 图 2秦岭造山带庙垭碳酸岩和正长岩初始熔体化学组成比值与液态不混溶实验结果对比 图 2 秦岭造山带庙垭碳酸岩和正长岩初始熔体化学组成比值与液态不混溶实验结果对比 Figure 2 Comparison of initial compositions of the Miaoya carbonatite and syenite with experimental results of liquid immiscibility

近年来，人们意识到地球深部碳循环长期影响着地表碳的演化和分布。地球内部碳的分布、储存和循环对于认识全球碳循环具有关键的作用。俯冲的板片是地球深部碳循环的主要机制。Dasgupta等 (2013) 通过岩石学研究估算，提出每年有5.4×10¹³~8.8×10¹³ g地表碳以沉积作用进入新生洋壳。沉积物和大洋岩石圈中的含碳矿物由俯冲作用 (Hirschmann et al., 2009；Dasgupta and Hirschmann, 2010; Dasgupta et al., 2013) 带入地球深部，随着俯冲的深入，板片被加压加热，板片内的挥发分元素通过脱水和脱碳作用转化为流体相 (主要为H₂O和CO₂) ，从板片分离，向上迁移并交代上覆地幔楔，导致其熔点降低发生部分熔融形成弧岩浆，弧岩浆在结晶和喷发过程中将其所含的来自板片的碳以CO₂的形式返还到大气中 (Burton et al., 2013) 。研究表明最多有40%的碳通过弧岩浆作用返回到地表 (Zhang and Zindler, 1993；Dasgupta and Hirschmann, 2006，2010) ，这意味着有相当一部分碳酸盐矿物在在弧下并不分解而是随板片被带入到地幔的更深处，并通过碳酸岩岩浆作用再返回地表。

大量对全球碳酸岩的稳定和放射性同位素示踪 (Nelson et al., 1988；Xu et al., 2014) 结果表明，俯冲循环的地壳物质对碳酸岩的成因起着非常重要的作用。碳酸盐化榴辉岩体系的实验岩石学研究也证实碳酸岩可由俯冲板片直接熔融形成 (Dasgupta et al., 2004；Yaxley and Brey, 2004；Litasov and Dasgupta et al., 2010) 。另外，近年来对碳酸盐化泥质岩的部分熔融实验也生成了碳酸岩熔体 (Thomsen and Schmidt, 2008；Grassi and Schmidt, 2011) 。相对于碳酸盐化橄榄岩和榴辉岩，碳酸盐化的泥质岩形成的碳酸岩质熔体更加富集CO₂、碱质 (主要为K) 及不相容元素，并在所有主要的俯冲岩石类型中具有最低的熔点，也解释了一些含钾质幔源岩浆的成因。以上实验研究表明，随着压力的升高，板片中稳定的碳酸盐矿物依次为方解石-白云石-文石-菱镁矿，在大于5 GPa时，白云石转化为菱镁矿，在更高的压力下，菱镁矿始终是熔融残余物中唯一稳定的碳酸盐矿物。实验发现菱镁矿甚至可以稳定存在于下地幔的超高压力和温度条件下 (100 GPa和2700℃) ，在压力约为15 GPa时菱镁矿转变为高压多晶相和菱镁矿Ⅱ (Isshiki et al., 2004) 。然而，最新的实验研究表明 (Thomson et al., 2016) ，在地幔转换带处 (700 km) 板片会发生熔融形成碳酸岩熔体，丢失几乎所有的碳酸盐矿物，使其不能循环到更深的地幔去。

值得注意的是，碳酸盐化橄榄岩体系的熔融均生成了富镁的熔体 (Dalton and Presnall, 1998；Gudfinnsson and Presnall, 2005) ，并不能熔出方解石质的碳酸岩熔体，这与地表难测到的碳酸岩绝大多数以方解石碳酸岩为主并不一致。而碳酸盐化榴辉岩体系熔出的碳酸岩熔体含有更多的CaCO₃ (50%~80%) ，这与其实验初始物质组成有关，且实验熔体中Mg的含量随着压力的升高而升高 (Dasgupta et al., 2005) 。但在14~20 GPa，碳酸岩熔体又倾向于方解石质，很可能是在这个压力下超硅石榴子石的稳定存在，其相对于Ca会更富集Mg，使与之平衡的熔体富Ca而Mg含量降低 (Keshav et al., 2011) 。这些实验结果表明钙质的碳酸盐化榴辉岩可能是许多地表方解石质碳酸岩的源区 (Hammouda et al., 2015) 。然而是否碳酸岩的成因与俯冲物质有成因联系尚无定论。Bell和Simonetti (2010) 根据全球显生宙以来碳酸岩的同位素组成特征认为，碳酸岩的地幔源区主要是富集地幔EM1和高U-Pb的HIMU端元混合而成，缺少亏损地幔DMM端元；一些碳酸岩显示地壳特征的Sr-Nd-Pb同位素组成，来源于地幔源区长时间的演化 ( > 3 Ga) ，形成高的Rb/Sr、Sm/Nd、U/Pb比值，因此演化成高的Sr-Nd-Pb同位素比值。他们认为缺少造山带碳酸岩的出露是排除地壳物质俯冲与碳酸岩起源的关键因素。攀西地区喜马拉雅期造山带、秦岭造山带和华北中央造山带内碳酸的发现对研究地壳碳酸盐物质的深俯冲与碳酸岩的成因具要重要价值。我们确定了南秦岭庙垭碳酸岩的成岩年龄为晚三叠世的产物，它们的侵位靠近勉略缝合线，在空间和时间上与勉略洋壳的俯冲密切相联，并且庙垭碳酸岩的C同位素高出正常地幔值，它们具有球粒陨石库的Nd同位素组成，其CHUR模式年龄 (190~300 Ma) 与其成岩年龄相近，但Pb同位素变化较大，部位样品显示富集的特征，这些均指示庙垭碳酸岩是俯冲洋壳低程度熔融的产物 (Xu et al., 2014) 。

除碳酸岩外，金刚石也是了解地球深部碳循环和碳酸岩起源的有力工具。对全球发现的金刚石研究发现，它们通常含有两类子矿物：超硅石榴子石、透辉石和Ca-Si钙钛矿、Mg-Si钙钛矿、铁方镁石，暗示金刚石主要来源于玄武质和橄榄质母体 (Harte，2010) ，前者起源深度为300~500 km，超基性母体的金刚石起源深度为600~800 km。许多金刚石内超硅石榴子石的稀土配分模式出现了Eu的负异常 (Tappert et al., 2005) ，并发现了富铝的子矿物，显示地壳俯冲物质与地球深部金刚石成因的联系。地震学研究证实俯冲洋壳可以进入下地幔深度 (Fukao et al., 2009) ，Walter等 (2011) 发现巴西金伯利岩筒中的金刚石具有异常负的碳同位素组成，提出了地表碳可随俯冲洋壳进入下地幔深度 ( > 900 km) 。而地表沉积碳酸盐俯冲进入地幔的形式是碳酸岩形成机理的关键。高温高压实验研究发现辉石和石榴子石在7 GPa以上时可以容纳大量的Fe³⁺，因此上地幔大于250 km时Fe、Ni等金属可以稳定存在 (Rohrbach et al., 2007) ，深部地幔相较还原，Stagno和Frost (2010) 的高温高压实验表明碳酸盐矿物在100~150 km时就开始被还原成金刚石或石墨。Rohrbach和Schmidt (2011) 的实验也认为俯冲的碳酸盐进入受Fe、Ni金属控制氧逸度的上地幔时 (250 km) 会被大量还原成金刚石。然而，Walter等 (2008) 在金刚石内也发现了碳酸质流体包裹体，提出碳酸岩岩浆可以在地幔过渡层甚至下地幔顶部形成。因此，金刚石在地幔的氧化熔融过程被看作碳酸岩岩浆形成的关键，而这一过程需要地幔柱的上升动力，使深部地幔含Fe³⁺硅酸盐矿物释放出Fe³⁺，氧化单质碳为碳酸盐，从而高温熔融。Rohrbach和Schmidt (2011) 提出了形成碳酸岩熔体的2个过幔转化带，如果地幔柱起源于下地幔，它们携带金刚石和富Fe³⁺的MgSi-钙钛矿上升进入660 km的转化带时，将发生相变，释放出Fe³⁺，氧化金刚石为碳酸岩熔体；如果地幔柱起源于地幔过渡层，金刚石和富Fe³⁺的超硅石榴子石上升进入250 km的软流圈，将发生相变转化为普通石榴子石，释放出Fe³⁺，进而氧化金刚石。值得注意的是，这种模式仅适用于解释板内裂谷型碳酸岩的成因，而造山带碳酸岩熔体能否在150 km以下形成还不清楚。

当今世界每6项新技术的发明，就有一项离不开稀土元素。它是现代工业的“维生素”，由于具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，大幅度提高产品的质量和性能，稀土已成为当今重要的战略资源。但稀土矿床在世界上的分布极不均匀，主要集中在中国、美国、俄罗斯、澳大利亚、巴西、印度、马来西亚、加拿大、南非、埃及等少数国家。中国是一个名副其实的稀土资源大国，约占世界储量的36% (Humphries，2010) 。由于稀土矿床在全球的分布非常有限，目前已知资源量已经远远不能满足未来全球范围内高新技术产业发展对稀土的需求 (Hatch，2012) ，因此，许多国家把REE资源勘探开发列为重点项目。碳酸岩是所有火成岩中REE含量最高的，但仅少数碳酸岩蕴藏具有经济价值的稀土矿床。据Woolley和Kjarsgaard (2008) 不完全统计，全球已知具有经济价值的碳酸岩型内生稀土矿床少于10处，而磷矿床32处，铌矿床33处，而攀西喜马拉雅期造山带碳酸岩稀土成矿带具有世界上第3大稀土储量，南秦岭庙垭碳酸岩是大型稀土矿床。

尽管碳酸岩稀土含量高，但大多稀土富集在碳酸盐矿物内 (Ingrid，1998) 而缺少稀土矿物。许多实验也证实碳质橄榄岩熔融形成的碳酸质熔体稀土含量低，岩石学证据也显示地幔包体内的碳酸盐矿物含有低的稀土元素 (Ionov and Harmer, 2002；Foley et al., 2009) ，因此大多数碳酸岩的稀土来源于地壳内的分离结晶。而造山带碳酸岩的成因与俯冲的沉积物质密切相关。研究发现东印度洋和太平洋3500~6000 m深海沉积物中含有大量的稀土 (Kato et al., 2011；Yasukawa et al., 2014) 。Hou等 (2006) 提出在30 Ma以来，攀西地区出现由挤压向转换拉张的过渡阶段，深俯冲至地幔的洋壳沉积物部分熔融作用形成该区域特有的碳酸岩及其大规模稀土成矿。Ling等 (2013) 也提出内蒙古白云鄂博超大型稀土矿床主要来源于古亚洲洋俯冲分异的富稀土的碳酸质流体的交代作用。Xu等 (2010a, 2015) 也发现南秦岭庙垭碳酸岩也具有高的REE组成和LREE富集，但岩体内的方解石具有低的REE含量和平坦的REE配分模式，明显不同于大多数碳酸岩内的碳酸盐矿物。镜下观察发现内岩体内富含初始岩浆成因的富REE的磷灰石和独居石，它们早于方解石结晶。这说明庙垭碳酸岩的初始母体富含稀土，优先结晶稀土矿物，导致主要矿物方解石相对贫稀土，而如果母体内稀土含量相对较少，稀土将优先进入碳酸盐矿物内，并不发育稀土矿物，这也得到了实验证实 (Wyllie et al., 1996) 。

碳酸岩是地表出露相对较少的幔源岩石之一，即可形成于裂谷环境，也可以产生于碰撞造山过程中派生的拉张岩石圈断裂带，是研究地幔构造背景和地幔交代作用的“探针岩石”。中国造山带内分布了大量的碳酸岩，也是重要的稀土成矿带，是研究地壳碳酸盐岩俯冲、循环以及与稀土富集联系的天然实验室。尽管碳酸岩在同位素地球化学和高温高压实验方面取得了重要进展，但不相容元素，特别是稀土元素的富集机制还有待深入。多数碳酸岩主要由碳酸盐矿物组成，大量的镁铁质矿物在碳酸岩侵入地表前已经分离结晶，围岩接触带特有的霓长岩化特征也指示挥发分相的分离，因此碳酸岩的全岩化学成分很难代表其母体岩浆的组成。碳酸岩的稀土元素富集过程与起源条件，源区组成以及俯冲的沉积物质是否相关，还不清楚。地幔柱已成功用于解释裂谷碳酸岩的成因，但造山带内碳酸岩的成因并不与地幔柱相关，可能直接与俯冲的碳酸盐矿物在地幔源区发生熔融相关，而俯冲的碳酸岩盐矿物不可避免的带来高氧化的成分，将有可能抑制碳酸盐在深部地幔向单质碳的转化，进而直接发生熔融，在造山带形成碳酸岩岩浆。高氧逸度下的高温高压实验和碳酸岩地幔包体的工作将可能是解释造山带碳酸岩成因，以及深部碳循环和存在形式的关键。