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近日，中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院黃建副教授和合作者在地幔榴輝巖成因的研究中取得突破。他們利用Zn-Mg-O等多穩(wěn)定同位素體系聯(lián)合示蹤，證實南非Roberts Victor金伯利巖中地幔榴輝巖可以由深部地幔熔體高壓結(jié)晶形成。相關(guān)研究成果以“Zn-, Mg- and O-isotope evidence for the origin of mantle eclogites from Roberts Victor kimberlite (Kaapvaal Craton, South Africa)”為題發(fā)表在國際著名地質(zhì)學期刊Geology上。

金伯利巖中不僅產(chǎn)出金剛石，還存在包括地幔榴輝巖在內(nèi)的各種捕虜體。這些地幔榴輝巖捕虜體能夠為克拉通的形成和演化、大陸地殼的生長以及金剛石的形成提供重要信息。關(guān)于地幔榴輝巖的成因存在長期爭論，其核心問題最終聚焦在兩個假說：俯沖模型認為地幔榴輝巖代表經(jīng)歷俯沖變質(zhì)的古洋殼，而巖漿模型認為地幔榴輝巖是深部地幔熔體高壓結(jié)晶的產(chǎn)物。

圖1. (A)Type I榴輝巖。石榴石中含有大量的熔流體包裹體；(B)TypeII榴輝巖。石榴石中沒有發(fā)現(xiàn)熔流體包裹體。

穩(wěn)定同位素是常用的地球化學示蹤手段，但是單一穩(wěn)定同位素體系通常具有多解性。本研究利用Zn-Mg-O同位素體系聯(lián)合約束南非卡普瓦爾(Kaapvaal)克拉通羅伯茨維克多(Roberts Victor)地幔榴輝巖的成因。Roberts Victor榴輝巖可以分為TypeI和TypeII兩類(圖1)。礦物學、巖石學和地球化學資料證實TypeI榴輝巖是TypeII榴輝巖經(jīng)歷強烈交代作用后的產(chǎn)物，而TypeII榴輝巖保留了原巖的性質(zhì)。因此，Type II榴輝巖是制約地幔榴輝巖成因的理想樣品。富集碳酸鹽的蝕變洋殼富集輕Mg-重O同位素，因此俯沖洋殼再循環(huán)不能解釋Type II榴輝巖的輕Mg-輕O同位素特征。Kaapvaal克拉通地區(qū)的深部地幔本身具有輕O同位素組成以及Type II榴輝巖的δ66Zn和δ26Mg顯示良好的負相關(guān)性，反映了深部熔體-橄欖巖反應(yīng)引發(fā)的Zn-Mg同位素動力學分餾。

圖2概括了Type II榴輝巖形成的具體過程，富集輕O同位素的深部地幔熔體上涌，熔體-橄欖巖反應(yīng)引發(fā)Zn-Mg同位素動力學分餾，最終導致遷移的熔體富集重Zn-輕Mg同位素；該熔體侵入到巖石圈-軟流圈界面處，冷卻固化、高壓結(jié)晶形成Type II榴輝巖。因此，Roberts Victor榴輝巖是深部地幔熔體高壓結(jié)晶的產(chǎn)物(圖2)。

圖2. 南非Kaapvaal克拉通Roberts Victor榴輝巖成因模式圖和熔體-橄欖巖反應(yīng)引發(fā)的Zn-Mg同位素動力學分餾示意圖

本研究證實了地幔榴輝巖可以由深部熔體高壓結(jié)晶形成，豐富了我們對地幔榴輝巖成因以及深部地幔過程中金屬穩(wěn)定同位素分餾行為的認識。

論文第一和通訊作者為中國科學技術(shù)大學黃建副教授，合作者包括澳大利亞麥考瑞大學黃金香博士、Williams L. Griffin教授以及中國科學技術(shù)大學黃方教授。研究項目得到國家自然科學基金委面上基金(41773002)和中國科學院青年創(chuàng)新促進會(2019449)聯(lián)合資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1130/G49780.1

（地球和空間科學學院、科研部）