孔维亮：霞石正长岩极轻的Mg同位素：霞石岩的“遗传基因”【GSA Bulletin, 2022】

发布时间：2022-10-24       阅读：10次

地球深部碳循环对大气CO₂平衡以及地质历史过程中的气候变化具有非常重要的影响。碱性-过碱性岩石的地幔源区通常被认为有CO₂的加入，但是部分碱性玄武岩表现为低Ca/Al比值并且缺乏Zr-Hf-Ti的负异常，这与含碳酸盐的地幔源区熔融形成的岩石特征不符。近年来，轻的Mg同位素通常被认为是碱性-过碱性岩石地幔源区存在再循环碳酸盐的标志。本文在塔里木大火成岩省瓦吉里塔格地区的霞石正长岩中识别出极轻的Mg同位素特征（δ²⁶Mg=-0.50~-0.62 ‰），但是实验岩石学表明，SiO₂含量大于53 %的霞石正长岩不可能由富碳酸盐的地幔源区直接部分熔融形成。那么，塔里木大火成岩省的霞石正长岩为何有极轻的Mg同位素，其如何形成的？该问题的解决对于Mg同位素的应用以及理解深部碳循环具有非常重要的意义。

为解决以上科学问题，我校孔维亮博士在“岩浆-热液演化与金属成矿”求真群体张招崇教授的指导下，与中国地质大学（武汉）张东阳副教授合作，对塔里木大火成岩省西北部瓦吉里塔格地区的霞石正长岩开展了单矿物主微量元素、单斜辉石原位Sr同位素、锆石U-Pb年龄、全岩主微量元素和Sr-Nd-Mg同位素分析，并结合Rhyolite-MELTS模拟对霞石正长岩的岩石成因及其与霞石岩的成因关系进行了研究，取得了以下创新性成果：

（1）塔里木大火成岩省霞石正长岩与霞石岩具有相似的矿物组成、微量元素配分模式和Sr-Nd同位素特征，指示两类岩石可能源于相似或相同的源区或源于同一母岩浆；两类岩石中的单斜辉石具有相似的Sr同位素特征，并且霞石正长岩中的单斜辉石核部与霞石岩中单斜辉石的主微量元素成分相似，而边部则具有富Na的特点，指示霞石正长岩可能是霞石岩经分离结晶作用形成的；

（2）Rhyolite-MELTS模拟结果进一步证明，霞石正长岩是霞石岩经过尖晶石、橄榄石、单斜辉石、磷灰石和黑云母的分离结晶作用形成（图1）；

（3）霞石岩也具有极轻的Mg同位素，且具有高的Ca/Al比值以及Zr-Hf-Ti的负异常，说明其源区存在再循环的碳酸盐，而霞石正长岩极轻的Mg同位素特征则是因为分离结晶过程中继承了霞石岩的“遗传基因”（极轻的Mg同位素）的结果；

（4）提出了霞石岩和霞石正长岩新的成因模式：含碳酸盐的洋壳俯冲到一定的深度时形成碳酸盐化榴辉岩，这种碳酸盐化榴辉岩在地幔柱的作用下发生部分熔融形成碳酸盐化硅酸盐熔体，其在上升过程中与橄榄岩反应形成霞石岩的母岩浆，部分岩浆上升过程中经过分离结晶作用形成霞石正长岩，部分则直接喷出地表形成霞石岩（图2）。

本研究通过霞石正长岩的岩石成因约束了霞石正长岩极轻Mg同位素的成因，对Mg同位素的应用以及揭示深部碳循环过程具有重要的意义。

图1 基于Rhyolite-MELTS模拟霞石岩能否演化形成霞石正长岩；初始成分为霞石岩中最原始的样品NP-24。模拟条件设定为0.4 GPa，2 wt.% H₂O，？FMQ=0；a和b：测试压力由2 kbar到12 kbar，b和c：测试水含量由1到5 wt.%，e和f测试：氧逸度由？FMQ=-2到？FMQ=+2

图2 塔里木大火成岩省主要岩石类型形成的卡通示意图

上述研究成果发表在地质学国际权威刊物《Geological Society of America Bulletin》上： Kong, W L., Zhang, Z C*., Wang, C H., Santosh, M., Liu, B X., Wei, B W. 2022. New insights into deep carbon recycling and formation of nepheline-bearing alkaline rocks from Sr-Nd-Mg isotope compositions. GSA Bulletin, https://doi.org/10.1130/B36555.1.

全文链接：;https://doi.org/10.1130/B36555.1