橄榄岩-熔体相互作用过程中Ca同位素的地球化学行为：以华北阳原和昌乐橄榄岩捕虏体为例

The North China Craton (NCC) was thinned up to a thickness of >100 km during the Phanerozoic, and underwent an associated craton destruction. Future study is essential to understand the mechanism of craton destruction and its role played in the continental evolution. Previous studies have shown that peridotite-melt interaction may play an important role in the compositional change and large scale thinning of the lithospheric mantle. The nature of the melt is the key to distinguish mechanisms of craton destruction. This project, as target on various mantle peridotites (harzburgites, fertile lherzolites, phlogopite/amphibole bearing lherzolites, metasomatised Fe-enriched peridotites and wehrlites) entrained in Cenozoic basalts from Yangyuan and Changle, NCC and utilizing the Ca isotopic analytical technique, is designed to further investigate the magnitude and mechanism of Ca isotope fractionation at mantle temperatures. Combining with the detailed studies on petrology and traditional geochemistry, this project tries to further probe the processes involved in the compositional transformation of the Cenozoic lithospheric mantle of the NCC, to evaluate the effect of peridotite-melt interaction on Ca isotope fractionation, as well as the nature and origin of the melts involved, and finally provide the Ca isotopic constraints on the destruction and thinning processes of the lithosphere of the NCC.

我国华北克拉通在显生宙期间曾发生过>100 km 的岩石圈减薄, 并伴随克拉通的破坏，但如何认识该克拉通破坏的机制, 是目前需要深入研究的问题。已有研究表明橄榄岩-熔体相互作用可能是造成岩石圈地幔组成转变、克拉通减薄和破坏的重要原因，其中确定熔体的性质是鉴别不同克拉通破坏机制的关键。本项目拟采用Ca同位素地球化学示踪手段，对华北阳原和昌乐地区新生代玄武岩中，经历不同程度地幔熔融和交代作用影响的橄榄岩（方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、含金云母/角闪石的橄榄岩、富Fe橄榄岩和异剥橄榄岩）捕虏体开展Ca同位素组成系统研究，厘定不同类型橄榄岩捕掳体Ca同位素组成范围及在各矿物间的分馏关系，并结合详细的岩石学和其它地球化学方法，来探讨研究区新生代岩石圈地幔的组成转变过程，橄榄岩-熔体相互作用过程中Ca 同位素的地球化学行为、以及参与反应的熔体性质和来源。从而为华北岩石圈的减薄和破坏过程提供新的地球化学制约。

本项目以华北克拉通阳原和昌乐地区新生代玄武岩及其携带的地幔橄榄岩捕虏体为研究对象，对其进行了详细的Ca同位素地球化学研究。结果表明，我国华北克拉通新生代岩石圈地幔的Ca同位素组成并不均一（δ44/40Ca = −0.08 to 1.04‰）。其中镁橄榄岩（橄榄石Fo≥89.5）的Ca同位素组成变化范围小（δ44/40Ca = 0.86~1.04‰），其平均值与硅酸盐地球（BSE）的Ca同位素组成（δ44/40Ca = 0.95±0.04‰）接近。而由橄榄岩与熔体反应形成的华北富Fe橄榄岩和异剥橄榄岩（橄榄石Fo = 80~87）的Ca同位素组成明显比镁橄榄岩的Ca同位素组成偏轻并且不均一（δ44/40Ca = −0.08~0.70‰）。值得注意的是，华北这些富Fe橄榄岩和异剥橄榄岩的Ca同位素组成与其Fe同位素呈正相关性。华北富Fe橄榄岩轻的Ca同位素组成是迄今为止报道的火成岩中最轻的Ca同位素组成，这一结果更新了长期以来对硅酸盐Ca同位素组成区的认识，表明硅酸盐也可以具有很低的Ca同位素组成。我们对这些富Fe橄榄岩和异剥橄榄岩的Fe-Ca同位素组成进行了化学扩散模拟计算，结果表明橄榄岩与熔体相互作用过程中的Fe-Ca-Mg元素化学扩散引起的动力学同位素分馏可以造成这些富Fe橄榄岩和异剥橄榄岩具有轻的Fe-Ca同位素组成。此外，华北橄榄岩中共生斜方辉石和单斜辉石之间的钙同位素分馏值（Δ44/40CaOpx-Cpx）可从−0.49~1.11‰，并且与两种辉石成分(如Ca/(Mg+Fe+Ca)，摩尔比)均显示出了明显的相关性，可能反映了辉石的成分效应对于矿物间平衡分馏系数的控制。该项目研究结果表明橄榄岩与熔体相互作用是导致华北地幔橄榄岩Ca同位素组成不均一的重要机制，从而为研究大陆岩石圈地幔演化过程提供了了新的制约手段。