地幔中的碱性碳酸盐熔体证据

学术背景

地球深部的碳循环、地幔熔融、氧化还原反应以及高度不相容元素的运输过程中，碳酸盐熔体扮演着至关重要的角色。尽管实验研究、交代作用转变以及地幔包体、金伯利岩和钻石中的熔体/流体包裹体都暗示了克拉通地幔中碳酸盐熔体的存在，但由于其短暂性和高反应性，这些熔体的确切成分难以确定。碳酸盐熔体一旦形成，便会从源区迁移并与硅酸盐地幔矿物（尤其是斜方辉石）发生反应，导致地幔交代作用。橄榄岩与碳酸盐熔体相互作用的产物之一——辉石岩（wehrlite），是研究原地碳酸盐熔体的理想对象。

本文的研究旨在通过分析来自西格陵兰Majuagaa金伯利岩中的石榴石辉石岩包体，揭示克拉通地幔中碱性碳酸盐熔体的存在及其成分。这一研究不仅有助于理解地幔交代作用的机制，还为地球深部碳循环提供了新的证据。

论文来源

本文由Ekaterina S. Kiseeva（美国自然历史博物馆、爱尔兰科克大学）、Vadim S. Kamenetsky（中国科学院海洋研究所、俄罗斯火山学与地震学研究所）、Ivan F. Chayka（俄罗斯实验矿物学研究所）、Roland Maas（墨尔本大学）和Troels F.D. Nielsen（丹麦和格陵兰地质调查局）共同撰写。论文于2024年10月9日在线发表在《Geology》期刊上，题为《Alkali-carbonate melts in the cratonic mantle evidenced by a wehrlite xenolith from the Majuagaa kimberlite, West Greenland》。

研究流程与结果

1. 研究对象与样品处理

研究的主要对象是来自西格陵兰Majuagaa金伯利岩中的石榴石辉石岩包体（样品编号GGU477406）。该包体为未变形的粗粒橄榄岩，缺乏斜方辉石，矿物成分特殊，被归类为石榴石辉石岩。研究人员通过电子探针（EPMA）和扫描电子显微镜（SEM）对样品中的主要矿物（橄榄石、单斜辉石、石榴石）进行了主量元素分析。

2. 熔体池与熔体包裹体分析

在辉石岩包体中，研究人员发现了大量的“熔体池”，这些熔体池主要由白云石、方解石、蛇纹石、尖晶石、磷灰石和金云母组成。尽管原始岩浆矿物学因低温蚀变而大部分被破坏，但结晶的碳酸盐熔体仍以熔体包裹体的形式保存在尖晶石中。这些熔体包裹体由碳酸盐、碱性碳酸盐、方镁石/水镁石以及少量卤化物、钾硫化物、磷灰石和金云母组成。

3. 尖晶石中的熔体包裹体

尖晶石中的熔体包裹体是研究的关键。这些包裹体主要由白云石、钠白云石、碱性碳酸盐（如钠钾碳酸盐）、方镁石、磷灰石、钾硫化物（如钾铁镍硫化物）和含氟水镁石组成。通过能量色散X射线光谱（EDS）分析，研究人员发现这些包裹体的成分与实验中和钻石流体包裹体中发现的钠白云石熔体非常相似。

4. 同位素分析

研究人员还对辉石岩包体和金伯利岩进行了Rb-Sr和Sm-Nd同位素分析。结果表明，金伯利岩的母熔体来源于克拉通地幔中的富镁硅碳酸盐熔体，而辉石岩包体则经历了碳酸盐化和低度部分熔融。同位素数据支持了辉石岩形成与新元古代金伯利岩事件之间的联系。

研究结论与意义

本研究首次提供了克拉通地幔中碱性碳酸盐熔体的直接证据。通过分析辉石岩包体中的熔体池和尖晶石中的熔体包裹体，研究人员揭示了这些熔体的成分及其在地幔交代作用中的重要性。研究结果表明，碱性碳酸盐熔体在克拉通地幔中广泛存在，并且在地幔交代作用和金伯利岩形成过程中发挥了关键作用。

科学价值

1. 地幔交代作用的机制：研究揭示了碳酸盐熔体与地幔橄榄岩的相互作用机制，特别是辉石岩的形成过程。
2. 地球深部碳循环：研究为地球深部碳循环提供了新的证据，表明碳酸盐熔体是碳运输的重要载体。
3. 金伯利岩成因：研究支持了金伯利岩母熔体来源于克拉通地幔中碳酸盐熔体的观点。

应用价值

1. 矿产资源勘探：研究结果有助于理解与碳酸盐熔体相关的矿产资源（如钻石、稀土元素）的形成机制。
2. 地球动力学模型：研究为地球动力学模型提供了新的约束条件，特别是克拉通地幔的演化过程。

研究亮点

1. 首次发现：研究首次提供了克拉通地幔中碱性碳酸盐熔体的直接证据。
2. 高精度分析：通过电子探针和扫描电子显微镜，研究人员对熔体包裹体进行了高精度的成分分析。
3. 同位素证据：Rb-Sr和Sm-Nd同位素数据为研究提供了强有力的支持，揭示了辉石岩与金伯利岩之间的成因联系。

其他有价值的信息

研究还发现，熔体池中的尖晶石具有独特的成分和分带结构，进一步支持了其结晶于碳酸盐熔体的观点。此外，熔体包裹体中的矿物组合与实验中和天然碳酸盐岩中的相组合高度一致，为研究提供了额外的证据。

本研究不仅深化了我们对地幔交代作用和地球深部碳循环的理解，还为相关矿产资源勘探和地球动力学模型提供了重要的科学依据。