王阳：岩浆过程中的Ca同位素分馏：来自榴辉岩和花岗岩的启示【GCA , 2019】

发布时间：2020-01-14     作者：[科学研究院]张帅    阅读：12次

　　CO2是大气中最重要的温室气体之一，大气圈的碳收支情况是影响地球历史上气候变化的关键因素。硅酸盐化学风化作用吸收大气CO2，最终多以碳酸盐形式沉淀。地表沉积碳酸盐可随板块俯冲进入地幔深部，地幔深部的碳也可以通过火山作用喷发到地表，这一地球深部和浅表的碳交换被称为地球深部碳循环。深部碳循环的平衡可能控制着大气CO2的长周期波动。因此，示踪地质历史中的深部碳循环十分重要。

　　碳酸盐岩含有大量的钙，且其Ca同位素组成变化很大（δ44/42Ca 均值约为~0.30‰），且较上地幔（0.41~0.46‰）系统偏低。理论上，再循环碳酸盐岩可显著改变交代地幔（CaO = ~3 wt.%）的Ca同位素组成。因此，Ca同位素在示踪深部碳循环方面具有潜力。然而，近年来的研究表明，Ca同位素在岩浆过程中可能存在分馏。因此，利用Ca同位素示踪深部碳循环必须首先查明Ca同位素在各种岩浆过程中的分馏尺度和机制。碳酸盐化地幔源区一般熔融深度较深，有石榴子石等高压矿物参与的岩浆过程中的Ca同位素分馏行为目前尚不清楚。

　　针对以上科学问题，我校地球科学与资源学院博士研究生王阳，在其导师“金属同位素与壳幔物质循环”求真研究群体何永胜副教授的指导下，对大别-苏鲁榴辉岩和花岗岩类中的主要含Ca矿物、大别低镁埃达克质岩及非埃达克质岩开展了系统的Ca同位素研究，取得了如下新认识：

　　1. 角闪石相对斜长石具有略重的Ca同位素组成（图1a）。石榴子石Ca同位素组成相对于单斜辉石显著偏重（图1b），且二者间Ca同位素分馏大小受辉石成分影响。单斜辉石中的硬玉组分越高，二者间Ca同位素分馏越小（图1c），推测与单斜辉石中Na+对Ca2+的替换导致Ca–O变短有关。该观察首次发现高压下单斜辉石与熔体之间存在显著Ca同位素分馏（图1d）。

　　2. 对于起源于正常地壳深度（<40 km）的普通花岗岩，虽然其SiO2和CaO变化范围较大，但Ca同位素组成比较均一，表明在低压熔融和岩浆分异过程中Ca同位素分馏不显著（图2）。

　　3. 起源于加厚下地壳（>50 km）的低镁埃达克质岩Ca同位素分馏显著，且与 (Dy/Yb)N 成负相关关系，这种Ca同位素的变化可以用源区残留石榴子石和富硬玉辉石的比例变化来解释（图3）。随着部分熔融深度的增加，源区的石榴子石和辉石中硬玉组分比例逐渐上升，导致熔体逐渐富集轻Ca同位素。因此， Ca同位素具有示踪岩浆起源深度的潜力，利用Ca同位素示踪深部碳循环需要考虑岩浆起源深度的影响。

　　4. 花岗岩是构成大陆上地壳的主体，结合前人工作，初步给出了上地壳的Ca同位素平均组成（δ44/42Ca ~ 0.35±0.03‰）。

图1 (a) 角闪石与斜长石间Ca同位素分馏与平衡温度关系图 (b) 石榴子石与单斜辉石间Ca同位素分馏与平衡温度关系图 (c) 石榴子石与单斜辉石间Ca同位素分馏与单斜辉石中硬玉组分含量关系图 (d) 单斜辉石中硬玉组分比例与熔融压力关系图。其他详情和数据来源见Wang et al. (GCA, 2019)

图2 大别花岗岩类Ca同位素组成与SiO2 (a) 和CaO (b) 含量相关图

图3 熔体Ca同位素组成对残留相石榴子石和富硬玉辉石效应的响应示意图。其他详情和数据来源见Wang et al. (GCA, 2019)

　　该研究首次系统报道了中酸性岩浆岩及相关矿物的高精度Ca同位素数据，取得的成果帮助人们进一步认识岩浆过程中的Ca同位素分馏机制，为应用Ca同位素示踪深部碳循环以及解决其他地质问题奠定了基础。

　　上述成果发表于地球化学国际权威刊物Geochimica et Cosmochimica Acta上：Wang Yang, He Yongsheng*, Wu Hongjie, Zhu Chuanwei, Huang Shichun, Huang Jian, 2019. Calcium isotope fractionation during crustal melting and magma differentiation: Granitoid and mineral-pair perspectives, Geochimica et Cosmochimica Acta, 259: 37-52. [IF = 4.258]

　　全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.05.030