大别苏鲁造山带超高压变质大理岩及其包裹榴辉岩的Mg同位素地球化学研究

Mantle heterogeneity in Mg isotopes due to the influx of carbonate in subduction zones has been recognized in recent studies. However, Mg isotopes in the ultrahigh pressure (UHP) carbonates (e.g. UHP marble) have been rarely studied with few data reported. The Dabie-Sulu orogenic belt in China is the largest known UHPM belt on Earth, in which UHP marble and eclogite are well exposed in various areas. This project plans to investigate Mg isotope compositions of UHP marbles, eclogites and wall rock gneisses, particularly focus on the systematic elemental and isotopic variations from eclogite to marble and marble to gneiss (especially different-radius-eclogite to marble profiles). Together with in-situ elemental zonation studies (e.g. Mg etc.) on minerals and Mg isotope analysis on minerals separated, the study aims to reveal the mechanism and the scale of Mg isotope transfer during deep subductions, and find factors that control the Mg isotope compositions in UHP marbles and associated carbonated eclogites. Such information may help to improve understandings on the Mg isotopic behaviors during deep subduction and the contribution of subducted UHP carbonate to the mantle heterogeneity in Mg isotopes.

由于显著不同的Mg同位素组成，通过俯冲带进入地幔的碳酸盐（以及碳酸盐化榴辉岩）会显著改变地幔的局部Mg同位素组成，造成地幔Mg同位素的局部不均一性。然而，对于经历深俯冲超高压变质碳酸盐的Mg同位素组成目前研究很少。大别-苏鲁造山带是全球出露面积最大的超高压变质带，发育有非常典型的超高压变质大理岩和榴辉岩。本申请拟对大别苏鲁地区典型的超高压大理岩、大理岩内的榴辉岩以及围岩片麻岩进行系统的Mg同位素剖面研究（特别是不同尺寸的榴辉岩包体-大理岩剖面），探讨深俯冲过程中榴辉岩-大理岩以及大理岩-片麻岩之间Mg同位素交换的方式及尺度，并结合矿物的元素环带和单矿物的Mg同位素分析确定控制大理岩和榴辉岩Mg同位素组成的因素，为更深刻理解俯冲带Mg同位素地球化学行为以及俯冲碳酸盐（以及碳酸盐化榴辉岩）对地幔镁同位素不均一性的贡献提供关键信息。

俯冲带是地表物质，尤其是沉积碳酸盐，发生壳幔物质循环的重要场所。对俯冲碳酸盐的研究对于理解深部碳循环过程尤为重要。在项目的支持下，主要开展了针对大别山双河地区的超高压变质大理岩以及大理岩中榴辉岩包体团块的镁同位素地球化学以及主微量元素地球化学研究；同时针对大别-苏鲁地区广泛出露的超高压变质大理岩开展了镁同位素地球化学研究。通过研究发现双河地区最小尺度的榴辉岩团块（直径~8cm）的镁同位素极为均一（-0.64~-0.53‰），与大别榴辉岩的δ26Mg（-0.44~-0.14‰）显著不同；其镁同位素受到了围岩大理岩的显著改造，显著低于地幔值并与围岩大理岩接近，分析发现其镁同位素组成特征的主要受扩散控制。针对大尺度包裹~40cm的榴辉岩团块的剖面开展的主微量元素以及镁同位素地球化学分析结果显示大理岩的δ26Mg随MgO含量升高而升高，而榴辉岩的δ26Mg随CaO含量升高而降低，δ26Mg vs 1/MgO图解上显示出负相关趋势，表明在镁同位素组成的变化并非受控于扩散过程，而是两者间相互反应混合，控制了该剖面的镁同位素组成的变化。可见与碳酸盐发生相互作用的榴辉岩主体表现出低δ26Mg特征（可以低至-0.64‰），而围岩大理岩与榴辉岩包体间发生的镁同位素交换行为部分受控于扩散过程，部分受控于双端元混合过程。针对大别-苏鲁地区广泛出露的大理岩的镁同位素分析显示，这些大理岩都具有比地幔低得多的δ26Mg值（低至-3.00‰），并且随着MgO含量的升高具有下降的趋势；表明俯冲变质过程中，部分变质沉积碳酸盐具有很高MgO含量（>20%）以及极低的δ26Mg值（低至-3.00‰），这一观察可以对利用镁同位素示踪地幔深部碳循环中面临的质量平衡问题进行一定程度的解释，进一步表明镁同位素是示踪深部碳循环过程的可靠示踪剂。作为项目开展的前提，在本项目的部分资助下，建立了单遍过柱的高精度镁同位素分析方法，提高了分离效率和效果；其同时可以分离钾以开展钾同位素分析，该成果可以大力推动镁-钾同位素研究的发展。