俯冲作用驱动的深部碳循环控制着碳储库之间的物质交换,从而影响地质历史时期的气候变化、生命演化、壳幔物质组成和分异以及成矿作用。板片俯冲可以携带碳酸盐化沉积物、碳酸盐岩和碳酸盐化洋壳进入地球深部,交代地幔,改变地幔物理性质和化学成分,并影响后期岩浆活动。碱性岩浆一般形成于板内、裂谷及后碰撞拉张环境,被认为来自受交代的富集地幔低程度部分熔融形成,是我们探索深部地幔过程的重要载体。本论文通过对华北克拉通北缘三叠纪碱性岩的岩石学和地球化学研究,特别是原位微区分析技术和非传统稳定同位素的应用,揭示碱性岩成因来源及古亚洲洋俯冲驱动的沉积碳酸盐深部再循环对岩石圈地幔的改造。利用碱性岩来探讨古亚洲洋俯冲驱动的深部碳循环,首先要明确其时空分布和成因来源。华北克拉通北缘发育东西走向的碱性岩带,其中本文研究的包头东和武家山碱性岩分别有着一致的锆石和榍石U–Pb年龄,约为234和235 Ma。综合前人锆石、斜锆石和异性石U–Pb年代学研究,我们可以获知华北克拉通北缘早中生代碱性岩在中晚三叠侵位,侵位年龄主要为215–235 Ma,可能与古亚洲洋闭合之后的拉张事件相关。华北克拉通北缘的碱性岩按成分可以分为两类:超基性-中性系列和演化的中性碱性岩。超基性-中性碱性岩主要以包头东和矾山碱性杂岩为代表。包头东碱性杂岩体由黑云母辉石岩、正长辉石岩、辉石正长岩和碱长正长岩组成,有着相似的矿物组合和微量元素特征,与原始碱性岩浆结晶分异有关。包头东碱性岩富集大离子亲石元素亏损高场强元素,具有演化的Sr–Nd同位素特征,含有岩浆成因方解石,表明其可能来自受再循环碳酸岩熔体交代的地幔源区。矾山碱性岩和包头东碱性岩的化学成分和矿物组合类似,而且有着共生的火成碳酸岩,表明两者可能来自相似的交代地幔源区。演化的中性碱性岩以武家山碱性岩为代表,通过原位微区技术重建原始岩浆成分,揭示碱性岩成因来源。武家山碱性岩为霞石正长岩,这些碱性岩高度演化（Si O2=58.1–60.0 wt.%）,具有Sr、Ba、Ti、P、Eu等元素的负异常和相对亏损的MREE,显示长石、磷灰石、榍石和角闪石的结晶分异。碱性岩中晚期结晶的低Mg#单斜辉石和长石的87Sr/86Sr（0.7052–0.7092）具有核边变化,主要归因于地壳同化混染作用。而原始碱性岩浆成分记录在早期结晶的高Mg#（70–84）弱Eu异常（Eu/Eu*=0.94–1.29）的单斜辉石中,这些特征显示单斜辉石结晶于低分异的幔源岩浆（Mg#>60）。早期结晶单斜辉石的87Sr/86Sr比值（0.7031–0.7060）与Sr/Y和（La/Yb）N呈正相关,与Ti/Eu比值呈负相关,而与Mg#和Eu/Eu*无相关。此外,与高87Sr/86Sr单斜辉石平衡的熔体稀土元素配分模式和邻近地区同期碱性岩相似。以上特征表明,原始碱性岩浆来源于亏损地幔和富集地幔物质的混合,富集地幔可能受到俯冲壳源物质熔融的碳酸岩熔体的交代。碱性岩中的锆石具有演化的εHf（t）值（-1.4–-2.8）,表明俯冲的壳源物质可能为碳酸盐化沉积物。在早期结晶的橄榄石、单斜辉石和锆石中发现方解石和CO2包裹体,加上角闪石和氟磷灰石的存在,揭示了碱性岩浆富集挥发分（H2O、F和CO2）,来源于经历碳酸岩熔体交代的地幔。古亚洲洋俯冲驱动的深部碳循环不仅改变岩石圈地幔成分,同时影响其氧逸度,从而主导元素的分配和迁移。华北克拉通北缘三叠纪碱性岩总体贫硅富碱,具有着演化的87Sr/86Sr（0.704–0.709）、εNd（t）（-14.7–-2.4）和锆石εHf（t）值（-14–0.6）,表明岩石圈地幔受到俯冲壳源沉积物的改造。此外,在碱性岩带多个碱性岩中发现大量原生碳酸盐矿物和共生火成碳酸岩,加上碱性岩中大量的黑云母和角闪石等含水矿物,指示这些碱性岩浆高度富集挥发分（CO2和H2O）。这些碱性岩的超基性-基性端元和早期结晶的单斜辉石具有高（La/Yb）N和低Ti/Eu比值,接近碳酸岩。以上证据表明,华北克拉通北缘岩石圈地幔中存在大量的再循环沉积碳酸盐,这与邻近区域发现的大量具有碳酸盐交代特征的橄榄岩和碳酸岩包体证据一致,即古亚洲洋俯冲携带大量沉积碳酸盐进入到深部地幔。沉积碳酸盐具有高氧逸度,可能造成地幔局部氧化（如橄榄岩包体中橄榄石赤铁矿出溶）,并影响幔源岩浆氧逸度。本文武家山和包头东碱性岩中的单斜辉石具有透辉石-霓辉石-霓石的核边变化,这种变化趋势表明武家山和包头东碱性岩浆可能为氧化岩浆。这与锆石Ce氧逸度计的计算结果一致,表明岩浆具有高氧逸度（ΔFMQ=+3.1–+4.1）。此外,包头东碱性岩早期结晶的自形单斜辉石和磷灰石中含有磁铁矿-赤铁矿包裹体,再加上重晶石等氧化矿物,同样说明原始碱性岩浆具有高氧逸度。早期结晶的磷灰石具有高S（0.64 wt.%）和低Mn含量特征,对应原始岩浆的ΔFMQ至少高于+3。以上特征显示高氧逸度碱性岩浆可能继承于受碳酸岩熔体交代的氧化地幔。幔源岩浆的高δ66Zn值（>0.3‰）被认为源区存在再循环的碳酸盐（平均值0.91‰）,为了进一步识别古亚洲俯冲驱动的深部碳循环对岩石圈地幔的改造,本论文研究了华北克拉通北缘矾山和包头东超基性-中性碱性杂岩体的Zn同位素组成。包头东碱性岩演化早期,随着Mg O和Zn含量逐渐减低,δ66Zn值没有明显变化（0.244–0.281‰）,表明单斜辉石等矿物结晶分异不会造成Zn同位素分馏,可能反映了原始岩浆成分,代表源区组成。而在碱性岩演化晚期,δ66Zn值具有较大的变化（0.208–0.392‰）,和Fe、Zn含量具有相关性,可能与Fe-Ti氧化物的结晶分异和堆晶有关。矾山碱性岩中只针对演化早期的超基性-基性端元进行Zn同位素分析,δ66Zn同样较为均一（0.248–0.261‰）。δ66Zn–87Sr/86Sr混合模型显示当地幔源区的再循环碳酸盐为Mg CO3时（高Zn含量,达280 ppm）,会导致幔源岩浆具有极高的δ66Zn值,明显高于MORB值(δ66Zn=0.27±0.05‰);如果再循环碳酸盐为Ca CO3（低Zn含量,达20 ppm）,且贡献小于40%时,不会造成岩浆明显的Zn同位素异常。虽然岩石学（岩浆成因方解石和共生火成碳酸岩）和地球化学特征（演化Sr–Nd同位素、高（La/Yb）N和低Ti/Eu比值）显示矾山和包头东碱性岩源区受到再循环碳酸盐化沉积物的交代,但其早期演化端元的δ66Zn值与MORB类似,表明交代岩石圈地幔的再循环沉积碳酸盐可能主要为低Zn和高Sr含量的灰岩或者富方解石的碳酸盐化沉积物。总的来说,以上研究表明原位微区分析技术可以揭示碱性岩成因演化、岩浆来源及再循环沉积碳酸盐对岩石圈地幔成分和氧逸度的改造。同时阐述了Zn同位素在碱性岩浆演化过程中的分馏行为和深部碳循环中的应用。这些成果可以为碱性岩相关的壳幔相互作用和深部碳循环研究提供更多借鉴和指示意义。