海南地幔橄榄岩包体的钙同位素组成及其单斜辉石与斜方辉石矿物间钙同位素分馏机理

Ca isotope is a new geochemical tool which can be applied to the study of several important geological events such as mantle evolution and crustal material recycling. However, less understanding of the behavior of Ca isotope in high temperature have hampered the utility of Ca isotope system. Specifically, there are two questions remain unclear:(1) Previous studies have found compositional dependent inter-mineral Ca isotope fractionation between clinopyroxene and orthopyroxene but its mechanism is still not clear;(2) Although crystal material show distinct Ca isotope composition with earth's mantle, it is not clear whether Ca isotope can be used as a tracer of crystal material recycling. Previous studies suggest mantle xenoliths in Hainan alkali basalt may be modified by the recycling materials in Hainan plume. Therefore, these xenoliths provide a good opportunity for us to study the above two questions. Here, we intend to measure the Ca isotope composition of Hainan xenoliths and their minerals, in order to provide new information for high temperature Ca isotope system.

Ca同位素是新兴的地球化学工具，可以帮助我们研究地幔演化，俯冲物质再循环等重要地质过程。但目前我们对Ca同位素高温地质过程中的行为仍缺乏足够的了解，这阻碍了高温钙同位素体系的构建，具体体现在（1）前人观测到地幔包体中单斜辉石和斜方辉石矿物间钙同位素分馏显示出了与成分的相关性，但其机理尚不明确；（2）尽管前人研究显示地表物质相对于地幔存在较大的钙同位素差异，但钙同位素能否示踪地幔中的俯冲再循环物质尚缺乏足够的研究。我国海南地区的新生代玄武岩中携带有大量地幔橄榄岩包体，前人研究显示这些包体可能受到地幔柱携带的俯冲再循环物质改造，并且其单矿物之间存在有化学不平衡，因此海南地幔橄榄岩为我们制约上述两个问题提供了天然的样本。据此，本项目拟开展海南地幔橄榄岩包体及其单斜辉石与斜方辉石的Ca同位素研究，回答上述两个问题，为高温钙同位素体系的构建提供重要信息。

为更好的将钙同位素应用于研究行星分异、地幔演化、壳幔物质循环，需要充分了解地幔、蚀变洋壳、岛弧岩浆岩等地质储库的钙同位素组成并明确钙同位素在高温岩浆过程中的分馏机理。本项目分析了海南地幔橄榄岩单矿物、东太平洋IODP-1256钻孔蚀变洋壳、世界各地典型岛弧岩浆岩的钙同位素组成，并结合第一性原理计算，制约了角闪石、斜长石、钙钛矿等富钙矿物的钙同位素平衡分馏系数。在本项目的资助下，我们取得了多项科学认识，包括：（1）地幔辉石中异常的钙同位素分馏反映了冷却引起的扩散动力学分馏；（2）快速扩张洋脊蚀变洋壳的钙同位素组成和新鲜洋中脊玄武岩相似，因此快速扩张洋脊蚀变洋壳的俯冲再循环可能不会改造地幔的钙同位素组成；（3）岛弧岩浆岩的钙同位素组成和新鲜洋中脊玄武岩相似，这反映再循环碳酸盐并没有进入岛弧岩浆岩源区；（4）富钙矿物的钙同位素平衡分馏系数与矿物的键长存在较好的相关性，但与配位数不存在相关性。本项目的实施，完善了钙同位素地球化学示踪体系，为更好的利用钙同位素地球化学工具提供了理论依据。