硅酸盐地球的Ca同位素组成及Ca在地幔橄榄岩中的分馏

Calcium isotopes have already become a great useful tool for tracing many geological processes. However, its applications on high temperature processes are still limited. There are three main reasons there: First, analytical limitation, which remained to be a difficulty for a long time, is no longer exist currently; Second, the endmember of calcium isotopic composition, which is also called the calcium isotopic composition of Bulk Silicate Earth (BSE), remains poor constrained; And the last, the fractionation mechanisms of calcium during partial melting and metasomatism in mantle are poor understood and need more and further systematic studies on mantle peridotites. These key issues are prerequisite for better understanding of the behavior of calcium during high temperature processes. This project, will focus on better constraining the very important endmember, the calcium isotopic composition of BSE using fertile, unmetasomatized lherzolites, and on carefully revealing the isotopic fractionation mechanisms of calcium during partial melting using melt-depleted peridotites with no or very limited metasomatism and during carbonatite metasomatism in mantle using strongly carbonatite-type metasomatized peridotites, by investigating calcium isotopic compositions of a great deal of these three types of mantle peridotites based on the existing analytical technique well developed in our laboratory. We hope this project will provide reliable data which will be helpful to promote the applications of calcium isotopes in high temperature processes, and in the whole earth science system gradually.

Ca同位素在研究诸多地质过程中已有广泛应用，但在高温地质过程中的研究相对薄弱。主要原因有三方面：一是分析技术上的限制，这在现今已经不再是一个主要问题；二是Ca同位素的端元，也就是硅酸盐地球（BSE）的Ca同位素组成目前尚不能很好地限定；三是Ca同位素分馏机理，当前对重要高温地质过程，比如地幔部分熔融和碳酸盐岩交代等过程中Ca同位素的分馏机理还没有系统的研究。这三方面是推动Ca同位素在高温地质过程中应用的必要条件。本项目基于自行建立的Ca同位素分析技术，拟选取三类橄榄岩进行研究：用富集没有受到明显交代的橄榄岩来制约BSE；用未见明显交代、熔体亏损的橄榄岩来制约地幔部分熔融过程中的分馏机理；用明显经碳酸盐岩交代的橄榄岩来制约交代过程中的分馏机理。希望通过本项研究，为推动Ca同位素示踪方面的研究提供可靠数据，并拓宽Ca同位素在地球科学及其相关领域中的应用范围。

本项目的主要研究内容是利用自行建立的Ca同位素分析技术，对地幔橄榄岩等样品进行系统研究，来限定硅酸盐地球（BSE）的Ca同位素组成，探究Ca同位素在地幔部分熔融、交代作用等过程中的分馏机理。经过四年的研究，已经取得一些重要成果。技术方面，提出“峰截取”的分析方法，优化了低CaO含量的地幔橄榄岩等样品的化学前处理流程。应用方面，对Spitsbergen岛屿、Siberian克拉通以及Mongolia地幔橄榄岩包体开展研究，限定了BSE的Ca同位素组成；通过淋滤实验直接测定了橄榄岩中的碳酸盐包体，发现其δ44/40Ca明显低于BSE估计值；揭示了地幔部分熔融及交代过程中的Ca同位素分馏行为，其中熔体提取的地幔橄榄岩的δ44/40Ca升高，碳酸盐交代和硅酸盐熔体交代作用均可降低地幔橄榄岩的δ44/40Ca，但是碳酸盐交代作用对地幔橄榄岩的影响可以更为显著。除此之外，本项目还从大洋沉积物、大洋中脊玄武岩、弧后盆地玄武岩和岛弧火山岩的角度，确定了不同类型沉积物端元的Ca同位素组成特征，进一步验证了部分熔融、俯冲交代地幔等过程中的Ca同位素分馏机理。这些创新性的工作，不仅加深了对地质储库端元Ca同位素组成的认识，而且还探讨了高温地质过程中的Ca同位素分馏机理，有助于拓宽Ca同位素在地球科学及其相关领域中的应用范围。