我校地球科学学院青年教师魏博雯在国际地球科学期刊《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》上发表过碱性岩-碳酸岩Zn同位素研究成果

近日，国际地球科学期刊《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》在线发表了我校地球科学学院青年教师魏博雯在塔里木大火成岩省过碱性岩-碳酸岩Zn同位素方面的研究成果：“Tracing Deep Carbon Cycling by Zinc Isotopes in aPeralkaline‐Carbonatite Suite”。

沉积碳酸盐会随着俯冲板块被带入深部地幔，并对深部地幔熔融过程中的温压条件和最终产物产生关键性影响。然而再循环碳酸盐在地幔中的最终储存深度（能否穿过地幔转换带进入到下地幔）以及再循环碳酸盐在地幔部分熔融中的作用仍然存在争议：Dasgupta and Hirschmann（2010）认为俯冲作用会将板片上一半的碳带入到深部地幔中，而Kelemen and Manning（2015）则认为板片上绝大多数的碳都在变质作用和脱水作用影响下随岛弧岩浆作用喷发或进入到岩石圈地幔中去。大火成岩省是短时期内形成的大规模板内岩浆活动（岩浆覆盖面积在105km2以上，体积通常在105km3以上，75%的主体岩浆在1-5Ma内喷发）。研究发现一些大火成岩省源区受到先前俯冲作用的影响，发生了不同程度的碳酸盐化交代富集作用，因此大火成岩省是探究俯冲再循环碳酸盐对地幔熔融影响的重要研究对象。近年来，非传统同位素（Zn, Mg同位素）在示踪地幔是否存在再循环碳酸盐的研究中发挥了重要作用。与广泛报道的玄武质岩石相比，大火成岩省的过碱性岩-碳酸岩系列具有研究深部地幔再循环碳酸盐的独特优势，一方面过碱性岩-碳酸岩通常被认为起源于碳酸盐化的地幔源区，另一方面过碱性岩-碳酸岩通常代表了熔融程度较低，起源较深（甚至可以达到下地幔深部）的熔融产物，因而比玄武岩更有可能保留再循环碳酸盐的地球化学信号。

针对上述科学问题，我校地球科学学院青年教师魏博雯，在中国地质大学（北京）张招崇教授的指导下，与中国地质大学（北京）程志国、中国地质科学院地质研究所谢秋红、我校地球科学学院李英杰等合作，选择了我国的塔里木大火成岩省瓦吉里塔格地区少量出露的过碱性岩-碳酸岩岩石系列（方解霞黄煌岩-霞石岩-霞石正长岩-钙质碳酸岩-镁质碳酸岩）作为研究对象（图1），开展了该岩石系列的全岩Zn同位素研究，取得了以下主要成果：

图1(a)塔里木克拉通分布简图；(b)塔里木盆地地质简图；(c)研究区瓦吉里塔格地质简图

1、方解霞黄煌岩、霞石岩、霞石正长岩和钙质碳酸岩以及镁质碳酸岩具有比地幔值明显重的Zn同位素（方解霞黄煌岩δ66Zn = 0.35–0.47 ‰，霞石岩δ66Zn = 0.34–0.40 ‰，霞石正长岩δ66Zn = 0.51–0.55 ‰，钙质碳酸岩δ66Zn = 0.58–0.67 ‰，镁质碳酸岩δ66Zn =0.38–0.56 ‰，图2），在排除蚀变作用、地壳混染作用、分离结晶作用、不混溶作用和部分熔融作用的影响后，结合其与Sr和Nd同位素解耦现象以及碳酸盐相变的高温高压实验成果，提出瓦吉里塔格过碱性岩-碳酸岩岩石系列的源区主要受Mg-钙钛矿/方镁石+C参与的影响（图3）。

图2瓦吉里塔格过碱性岩-碳酸岩的Zn同位素

图3瓦吉里塔格霞石岩、方解霞黄煌岩、钙质碳酸岩和镁质碳酸岩的Zn-Sr同位素模拟

2、根据钙质碳酸岩和镁质碳酸岩的Zn同位素特征，结合前人发表的两种碳酸岩的O-Mg同位素以及主微量元素研究成果（图4），认为钙质碳酸岩是地幔柱携带到浅部地幔的碳酸盐化榴辉岩直接部分熔融形成，镁质碳酸岩则从钙质碳酸岩与地幔橄榄岩反应形成的熔体中结晶形成。

图4瓦吉里塔格钙质碳酸岩、镁质碳酸岩Zn-Mg同位素、Zn-O同位素、Mg-O同位素模拟

3、方解霞黄煌岩、霞石岩和霞石正长岩的Zn同位素特征、主、微量元素成分以及模拟结果表明，方解霞黄煌岩可能是起源于碳酸盐化榴辉岩的富钙质碳酸岩的硅酸盐熔体与地幔橄榄岩反应形成的，而霞石岩则是由起源于碳酸盐化榴辉岩的相对贫钙质碳酸岩的硅酸盐熔体与地幔橄榄岩反应形成的（图5,6），霞石正长岩是霞石岩原始岩浆经过分离结晶作用形成（图7）。

图5瓦吉里塔格方解霞黄煌岩、霞石岩以及霞石岩原始熔体的TiO2、CaO/Al2O3、SiO2、CaO、Al2O3与MgO之间的相关性

图6瓦吉里塔格方解霞黄煌岩、霞石岩Ti/Eu-Dy/Yb模拟和Zn-Sr同位素模拟

图7依据瑞利分馏模型计算的霞石质原始熔体到霞石正长岩分离结晶过程中δ66Zn与F（结晶程度，%）的关系

上述研究表明，俯冲作用滞留在深部地幔的碳酸盐化榴辉岩对于塔里木大火成岩省过碱性岩-碳酸岩岩石系列的形成起到了重要的作用：一方面碳酸盐化榴辉岩随着地幔柱上升到浅部后可以作为源区直接熔融，形成碳酸岩熔体的同时，也在不同阶段与地幔橄榄岩发生反应。另一方面，碳酸盐化榴辉岩携带的Mg-钙钛矿/方镁石+C也进一步反映了俯冲过程中少部分的碳酸盐随着俯冲板片进入到深部地幔中，为揭示深部碳循环过程提供了重要约束。

上述成果受到国家自然科学基金（NO. 42030302）、河北省自然科学基金项目（No. D2023403001）、河北地质大学国家预研项目（NO. KY2024QN19）以及“河北省战略性关键矿产研究协同创新中心”资助。

原文链接：Wei, B., Zhang, Z., Cheng, Z., Xie, Q., Santosh, M., Kong, W., et al. (2024). Tracing deep carbon cycling by zinc isotopes in a peralkaline‐carbonatite suite. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 25, e2023GC011113.(IF=3.50)https://doi.org/10.1029/2023GC011113