孙剑:颠覆前人认识,奠定钙同位素在火成碳酸岩研究中的应用基础【GPL,2021】

火成碳酸岩是来自地球深部的一类特殊的岩浆岩,成分以碳酸盐为主并通常显著富集稀土等关键金属元素。这类罕见岩石的成因一直是个迷,但其研究意义重大。一方面,由于它是关键金属资源一类重要的赋矿岩体,是理解战略性关键金属矿产富集成矿机制的一个重要基础。另一方面,作为地表中少见的富碳的深部来源物质,火成碳酸岩也是开展地幔演化与“深部碳循环”研究的珍贵载体。

目前,对于富含碳的碳酸岩岩浆的起源,到底是源自“正常”地幔物质的部分熔融,还是源自俯冲到地幔的再循环沉积碳酸盐岩的熔融,仍然不清楚。钙是火成碳酸岩中最常见的金属元素;钙同位素是示踪再循环沉积碳酸盐和岩浆过程的有力工具。新兴的钙同位素示踪技术有望揭示火成碳酸岩的成因之谜。然而目前,火成碳酸岩钙同位素研究少、且不同实验室报道的数据结果差异很大。

中国地质科学院地质研究所朱祥坤研究员课题组与英国牛津大学等单位合作,基于严格的条件实验,建立了一套精准高效的Ca(-Sr)同位素MC-ICPMS测试技术。对全球不同地区代表性火成碳酸岩样品开展了系统的钙同位素地球化学研究。研究结果颠覆了法国课题组近期在《Science Advance》上发表的论文的数据结果和认识(Amsellem et al., Sci. Adv. 2020; 6: eaba3269)。

该研究主要取得了以下成果:
(1)精确测定了火成碳酸岩钙同位素组成的基本特征,并论证了碳酸质岩浆演化过程中钙同位素的地球化学行为,为钙同位素在火成碳酸岩研究中的应用奠定了坚实基础;
(2)从钙元素的角度揭示了碳酸盐组分来源于地幔物质本身,而无需再循环沉积碳酸盐加入;
(3)建立了精准高效的钙同位素测试技术,厘清了现有发表数据混乱的问题,为钙同位素地球化学的应用发展提供了可靠的技术支撑。

火成碳酸岩钙同位素组成特征及与玄武岩、沉积碳酸盐岩的对比

该研究成果近期发表于国际权威地球化学专业期刊Geochemical Perspectives Letters(Sun, J.孙剑, Zhu, X.-K.朱祥坤, Belshaw, N.S., Chen, W.陈唯, Doroshkevich, A.G., Luo, W.-J.骆文娟, Song, W.-L.宋文磊, Chen, B.-B.陈贝贝, Cheng, Z.-G.程志国, Li, Z.-H.李志红, Wang, Y.王阳, Kynicky, J., Henderson, G.M., 2021. Ca isotope systematics of carbonatites: Insights into carbonatite source and evolution. Geochem. Persp. Let. 11–15.)
研究由地科院地质所、牛津大学、地大武汉、俄罗斯科学院、地科院矿产资源所、捷克技术创新转化研究所、西北大学、天津大学和地大北京的研究人员共同完成。研究得到国家自然科学基金(41773018,42072113),国家重点研发计划(2019YFA0708604, 2019YFA0708404),中国地质调查项目(DD20211358)和深地动力学重点实验室项目((J1901-13, J1901-20-1)的支助本文来源中国地质科学院地质研究所主页。