弧后盆地玄武岩Ca同位素组成特征及其意义

Understanding calcium isotopic compositions of geological samples from various tectonic settings and Ca isotopic fractionation mechanism during various geological processes are the basic premises for calcium isotope tracing. Recently, calcium fractionation mechanism during subduction related fluid metasomatism and partial melting are rare studied and their applications on high-temperature geological processes are really limited. In this project, we are going to systematically investigate the Ca isotopic compositions of back-arc basin basalts (BABB) from the southwestern Pacific Ocean (e.g. Woodlark Basin, Lau Basin, Coriolis Troughs, Manus Basin, etc.) first, then we will focus on revealing the mechanisms and degrees of calcium isotopic fractionation during subduction fluid metasomatism, partial melting and processes in between or combined using BABB from primary, mature and intermediate back-arc basins, respectively. We hope this project will promote the applications of calcium isotope tracing in high temperature processes, and in the earth science system gradually.

了解不同构造环境下地质样品Ca同位素组成特征以及不同地质过程中Ca同位素分馏机理，是应用Ca同位素示踪的基本前提。当前，对Ca同位素在俯冲流体交代和部分熔融这两个深部重要过程中的分馏机理研究甚少，限制了Ca同位素在高温地质过程中的应用。本项目基于自行建立的Ca同位素分析技术，拟对西南太平洋不同演化阶段的弧后盆地玄武岩进行研究，以认识弧后盆地玄武岩的Ca同位素组成特征。在此基础上，通过研究早期演化阶段的玄武岩来限定俯冲流体交代过程中的Ca同位素分馏机理及尺度；通过研究晚期演化阶段的玄武岩来厘清地幔部分熔融过程中的Ca同位素分馏机理及尺度；通过研究中间演化阶段的玄武岩来认识俯冲流体交代和部分熔融相互作用下的Ca同位素分馏机理和尺度。本项目的开展，不仅可为推动Ca同位素示踪方面的研究提供数据基础，还有助于拓宽Ca同位素在地球科学领域中的应用范围。

本项目对来自西南太平洋Lau Basin、Coriolis Troughs、Woodlark Basin以及Eastern Manus Basin等地球化学特征差异较大的弧后盆地玄武岩样品开展了系统的Ca同位素研究，获得了一批高质量数据，其Ca同位素组成总体低于硅酸盐地球值，变化范围为0.73-0.89，平均值为0.80。尽管这些弧后盆地玄武岩源区受不同俯冲物质影响，但因俯冲物质可能与地幔源区有类似的组成或贡献的量较小，不能对源区造成大的影响，说明了沉积物端元的Ca含量或者同位素组成的重要性。通过研究Eastern Manus Basin中酸性岩浆岩，认为其Ca同位素组成可以很好约束岩浆分异过程，即酸性岩浆演化过程中会发生分馏，而中基性岩浆演化过程中分馏则不明显，可以用中基性岩浆的组成代表母岩浆组成。对Spitsbergen含碳酸盐地幔橄榄岩捕虏体Ca同位素研究表明，碳酸盐交代和硅酸盐熔体交代均可以降低地幔橄榄岩的Ca同位素组成，这种情况下难以有效区分这两种地幔交代类型。这些研究成果，结合其它已有工作，对流体交代和部分熔融共同作用下的Ca同位素分馏机理与分馏尺度提供了新认识，契合项目设定研究目标。此外，为进一步明了俯冲沉积物对弧后盆地玄武岩的影响，本项目还对Lesser Antilles不同类型大洋沉积物Ca同位素组成进行了研究，确定了不同沉积物端元的Ca同位素组成特征，有助于判定加入地幔的俯冲沉积物端元及比例。本项目的实施，不仅为Ca同位素理论框架的完善提供了详实的研究数据，还拓宽了其在地球科学和行星科学等领域中的应用范围。