碳酸盐榴辉岩部分熔融形成低镁原始板内碱性玄武岩的起源研究
作者及机构
本研究由Zongqi Zou（中国地质大学（武汉）地球科学学院地质过程与矿产资源国家重点实验室）、Zaicong Wang（通讯作者，中国地质大学（武汉））、Stephen Foley（澳大利亚麦考瑞大学地球与环境科学系）等合作完成，发表于2022年2月的《Geochimica et Cosmochimica Acta》期刊（卷324，页码240-261）。
学术背景
碱性玄武岩广泛分布于板内环境，其成因通常与地幔中的碳酸盐化橄榄岩（carbonated peridotite）部分熔融有关。然而，近年来越来越多的研究表明，碳酸盐榴辉岩（carbonate-bearing eclogite）——即俯冲洋壳在深部碳循环过程中形成的含碳酸盐矿物相的高压变质岩——可能是许多板内碱性玄武岩的重要源区成分。这一假说虽得到实验研究支持，但自然界中符合实验预测的低镁（MgO < 6–10 wt.%）原始碱性玄武岩实例极为罕见。本研究以中国东部汉诺坝地区新生代大陆板内碱性玄武岩为对象，通过地球化学分析验证其是否来源于碳酸盐榴辉岩的低程度部分熔融。
研究流程
1. 样品采集与地质背景
研究团队在汉诺坝地区6个剖面（覆盖面积>350 km²）采集了31件碱性玄武岩和14件拉斑玄武岩样品（表S1）。汉诺坝玄武岩形成于中新世（25–14 Ma），层序上呈现碱性玄武岩与拉斑玄武岩互层的特点（图2）。碱性玄武岩具玻基斑状结构，含大量地幔橄榄岩和辉石岩包体（图2a–c），表明岩浆快速上升；拉斑玄武岩则显示全晶质结构（图2d）。
2. 实验方法
- 主量元素分析：采用X射线荧光光谱（XRF，Rigaku ZSX Primus Ⅱ）测定全岩粉末，误差<2%（含量>1 wt.%时）或%（微量组分）。
- 微量元素分析：通过高压消解-ICP-MS（Agilent 7700）完成，数据误差%（以USGS标准物质验证）。
- Sr-Nd同位素：使用Triton TIMS测定全岩同位素组成，辅以激光剥蚀MC-ICP-MS（Thermo Fisher Neptune Plus）对斜长石和基质进行原位Sr同位素分析，确保数据不受蚀变影响（表S4）。
3. 数据处理与模型构建
- 判别指标：利用Dy/Yb（石榴石残留标志）、Ti/Eu（碳酸盐熔体标志）、Zr/Hf（单斜辉石敏感）等比值，结合非模态批式熔融模型（Shaw, 1970），定量模拟碳酸盐榴辉岩部分熔融过程（图9，表S7）。
- 交互作用分析：通过MgO与同位素（εNd）、元素比值的相关性，揭示原始熔体与岩石圈地幔的混合趋势。
主要结果
低镁原始熔体的识别
- 汉诺坝碱性玄武岩的MgO含量（5.25–12.2 wt.%）显著低于橄榄岩熔体（>16 wt.%），且最原始的样品（MgO <5.25 wt.%）具有极低的HREE和Sc含量、高Dy/Yb（>7.1）、低Ti/Eu（<3380）及低CaO/Al₂O₃（<0.41）（图3,5）。这些特征与碳酸盐榴辉岩实验熔体（MgO=4–10 wt.%）高度吻合（图3）。
- 负Ti异常（图4）和轻Mg同位素（δ²⁶Mg=−0.46‰至−0.51‰）进一步支持源区含碳酸盐组分。
熔体-岩石圈相互作用
- MgO与εNd、Ba/Th呈正相关，与Dy/Yb呈负相关（图8），表明低镁熔体在上升过程中与富集型岩石圈地幔发生混合或反应。
- 拉斑玄武岩则显示不同的元素趋势（图3），其源区为橄榄岩与辉石岩的混合物（图10），证实两类玄武岩源自独立熔融事件。
熔融机制与动力学背景
- 部分熔融发生在软流圈顶部（~100–150 km，3–5 GPa），可能由停滞板块上涌流体的碳酸盐熔体交代榴辉岩触发（图11）。
- 快速上升的挥发分-rich熔体携带大量地幔包体，保留了原始榴辉岩熔体的地球化学信号。
结论与意义
本研究首次系统论证了汉诺坝低镁碱性玄武岩直接来源于碳酸盐榴辉岩的部分熔融，为俯冲洋壳在板内玄武岩成因中的直接贡献提供了关键证据。其科学价值包括：
1. 理论创新：修正了“低镁玄武岩必为演化产物”的传统认知，提出碳酸盐榴辉岩可作为独立源区产生原始低镁熔体。
2. 深部碳循环：揭示俯冲洋壳不仅通过交代作用改造地幔，还能直接熔融形成岩浆，深化了对深部碳命运多样性的理解。
3. 方法学贡献：建立Dy/Yb-Ti/Eu-Zr/Hf多指标联用体系，为识别榴辉岩熔体提供了新工具。
研究亮点
- 关键发现：自然界首例明确源自碳酸盐榴辉岩的低镁（<5.25 wt.%）原始碱性玄武岩。
- 创新方法：结合熔融模型与元素比值（如Ti/Eu<3380、Dy/Yb>7.1），有效区分榴辉岩与橄榄岩熔体。
- 动力学启示：提出软流圈顶部熔融-岩石圈相互作用的二元机制（图11），解释板内碱性玄武岩的成分多样性。
其他价值
该研究为理解中国东部新生代玄武岩与太平洋板块俯冲的关联提供了新视角，同时暗示类似低镁熔体可能在全球其他板内火山区被低估或误判。未来需结合高温高压实验与熔体包裹体分析，进一步约束碳酸盐榴辉岩熔融的温压条件和挥发分行为。