地球不同圈層之間的相互作用塑造了如今的宜居環(huán)境。板塊構(gòu)造運動是地球深部和淺部圈層之間相互作用的核心機(jī)制。新生洋殼不斷地在洋中脊生成，并通過板塊構(gòu)造運動循環(huán)至深部地幔。循環(huán)洋殼及上覆沉積物在俯沖過程中會相變，形成高密度的榴輝巖。這些循環(huán)榴輝巖的加入是改造深部地幔（如成分和巖性不均一）的主要方式之一。鑒別并約束循環(huán)榴輝巖在深部地幔的命運對板塊構(gòu)造理論具有重大意義。
相較于地幔，循環(huán)物質(zhì)富集不相容元素且具有不同的放射性同位素組成。因此，長期以來幔源巖漿中的這些地球化學(xué)組分被用于研究殼幔相互作用。由于循環(huán)物質(zhì)多為易融組分，雖然極小量的循環(huán)物質(zhì)的加入不會改變地幔源區(qū)的巖性，但是可以造成派生熔體中具有強(qiáng)烈的循環(huán)物質(zhì)信號。相對于微量元素，主量元素通常進(jìn)入到礦物的晶格中，控制著源區(qū)的巖性，其穩(wěn)定同位素組成能從巖石學(xué)角度反映地幔源區(qū)異常。例如，俯沖蝕變洋殼轉(zhuǎn)變而來的榴輝巖本身具有與地幔不一樣的Ca-Fe-Mg同位素組成，同時Ca-Fe同位素的分餾對榴輝巖相礦物組合敏感。特別地，由于巖石圈相對虧損Ca，深部地幔巖漿在穿越巨厚的巖石圈后，其初始Ca同位素組成理論上更易于被保存。這意味著Ca同位素與其他主量穩(wěn)定同位素聯(lián)用在示蹤循環(huán)洋殼方面具有巨大的優(yōu)勢。目前，天然榴輝巖熔體的Ca同位素組成，以及榴輝巖熔體在地幔遷移反應(yīng)過程中Ca同位素組成的變化仍然需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點實驗室地幔地球化學(xué)學(xué)科組鄒宗琪博士、徐義剛院士聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）汪在聰教授、西北大學(xué)陳立輝教授和王小均副教授，通過對東北新生代鉀質(zhì)玄武巖進(jìn)行Ca同位素分析，并結(jié)合同一套樣品的Fe-Mg同位素，對以上問題進(jìn)行約束。結(jié)果表明榴輝巖化的循環(huán)沉積物部分熔融產(chǎn)生了低MgO的初始熔體 （圖1）。該熔體具有輕Ca-Mg同位素和重Fe同位素的特征（圖2-3）。初始熔體的Ca同位素組成顯著低于MORB值，并且該特征在后續(xù)穿越巖石圈（貧CaO,富FeO和MgO）的過程中未被巖石圈改造。而初始熔體的Fe-Mg同位素組成則隨著反應(yīng)逐級趨向于地幔值（圖3-4）。這一研究表明了Ca同位素是示蹤榴輝巖的高效示蹤劑。將Ca-Fe-Mg同位素結(jié)合，可以有效鑒別巖石圈對穿越其中的榴輝巖熔體的改造作用，進(jìn)一步建立成分不均一和巖性不均一之間的聯(lián)系（圖4）。
該研究已發(fā)表在國際地球科學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，本研究受國家自然科學(xué)基金青年基金項目（42203006)、國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目(42288201)以及南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州）人才團(tuán)隊引進(jìn)重大專項（GML2022006）等基金聯(lián)合資助。
論文信息：Zou, Zongqi (鄒宗琪), Wang, Zaicong* (汪在聰), Wang, Xiao-Jun* (王小均), Xu, Yi-Gang (徐義剛), Chen, Li-Hui (陳立輝), Wang, Meiling (王美玲), Feng, Lanping (馮蘭平), Li, Ming (李明), Liu, Yongsheng (劉勇勝) (2024), Calcium isotopic compositions of eclogite melts and negligible modification during reaction with lithospheric mantle. Geochim. Cosmochim. Acta 367, 58-71. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.12.031
圖1，放射性同位素(如Sr-Nd-Pb同位素)和主量元素（如MgO）以及Mg(Fe)同位素之間的線性關(guān)系，表明該套玄武巖樣品由高M(jìn)gO端元和低MgO端元混合形成。低MgO端元具有低CaO/Al 2O 3，高Dy/Yb，重Fe同位素和輕Mg同位素特征。這一低MgO熔體來自循環(huán)的榴輝巖部分熔融。
圖2，來自榴輝巖的低MgO熔體的Ca同位素組成約為0.67-0.75‰，低于MORBs值（0.85 0.09 ‰)。雖然碳酸鹽化橄欖巖部分熔融可以生成具有較輕的Ca同位素組成的熔體，但該熔體通常具有高CaO/Al 2O 3的特征，顯著不同于東北鉀質(zhì)玄武巖樣品。東北鉀質(zhì)玄武巖的Ca同位素組成和MgO， Nd以及Dy/Yb等指標(biāo)之間無線性關(guān)系。而OIBs的Ca同位素組成展現(xiàn)出榴輝巖熔體和橄欖巖組分混合的趨勢。
圖3，(a-b) 在地幔中，Ca主要賦存于單斜輝石、石榴石和碳酸鹽中。地幔橄欖巖中單斜輝石是Ca的主要賦存礦物，而單斜輝石和硅酸鹽熔體之間的Ca同位素分餾極小。因此，典型的地幔橄欖巖部分熔融產(chǎn)生的Ca分餾一般較?。?lt;0.1‰）。而原巖為蝕變洋殼及沉積物的榴輝巖其Ca同位素比橄欖巖地幔偏輕。另一方面，在榴輝巖中Ca受控于石榴石和單斜輝石，且石榴石相對硅酸鹽熔體更富集重的Ca同位素。因此，榴輝巖部分熔融可以形成具有輕Ca同位素組成的熔體。（c-d）低MgO熔體在向上遷移的過程中與虧損巖石圈反應(yīng) (SCLM+melt1=Opx+melt2)，形成高M(jìn)gO玄武巖。這一過程導(dǎo)致初始熔體的Mg-Fe同位素顯著變化（巖石圈富集FeO和MgO），而巖石圈對Ca同位素組成的改造極弱 (~0.66-0.78‰)。
圖4，Ca同位素是示蹤榴輝巖的有力示蹤劑，并且將Ca-Fe(Mg)同位素結(jié)合，可以有效鑒別巖石圈對穿越其中的榴輝巖熔體的改造作用。同時，OIBs中隨著榴輝巖信號的減弱（如Dy/Yb），榴輝巖熔體特征的Ca同位素組成也逐漸被橄欖巖組分稀釋（圖2），顯著不同于東北鉀質(zhì)玄武巖。由于洋殼較薄，地幔柱溫度較高，在地幔柱減壓過程中，其橄欖巖也發(fā)生部分熔融，形成富CaO，F(xiàn)eO和MgO的熔體，從而在地幔源區(qū)與榴輝巖熔體混合，并稀釋了榴輝巖的Ca-Fe-Mg信號。因此，將Ca-Mg-Fe同位素結(jié)合，能夠在有效鑒別榴輝巖的同時，有效地揭示地幔源區(qū)的巖漿動力學(xué)過程。
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