硅酸盐地球(BSE)主量元素钙(Ca)由于存在较大的相对质量差(可达20%)，其稳定同位素在地球各个储库以及有关的过程中可能存在较大的分馏。地幔橄榄岩和玄武岩显示出显著的Ca同位素变化范围(-0.08~1.85‰)，这反映了地幔源区性质的复杂性，并被认为与地幔岩浆过程和表生的物质俯冲循环过程有关。辉石岩是地幔岩石中广泛存在的组分，其形成主要与不同来源的熔体结晶分异或复杂的熔岩反应有关，是地幔成分以及同位素不均一性的典型体现。另一方面，由于地幔辉石岩具有较低的固相线温度，往往比橄榄岩更易发生熔融，因而辉石岩被广泛认为不同程度地参与了玄武岩的形成。因此，研究地幔辉石岩的Ca同位素组成，可以很好地探究地幔尤其是存在循环物质加入、成分不均一的地幔Ca同位素特征，同时对解释幔源岩浆的起源亦有重要启示意义。但是针对地幔辉石岩Ca同位素的研究目前十分有限。

图1. 汉诺坝地幔辉石岩和橄榄岩Ca同位素组成。不同的辉石岩(实心点)及其寄主橄榄岩(空心点)在图中相邻。来自Balmuccia地体的辉石岩(灰色点)也具有类似的δ^44/40Ca。灰色阴影为硅酸盐地球和上地幔Ca同位素组成。

为此，我们选择了来自华北克拉通汉诺坝地区的不同种类的地幔辉石岩及其寄主橄榄岩包体来探究这一问题。

汉诺坝地幔辉石岩包体主要包括三种类型：尖晶石辉石岩（Type I）、含金云母尖晶石单斜辉石岩 (Type III)和石榴石辉石岩 (Type II, 图1)。前两者主要脉状产出，后者与橄榄岩具有显著的反应结构，反映了它们不同的成因。尖晶石辉石岩与亏损地幔的初始Sr同位素类似，但是Sr同位素指示形成石榴石辉石岩(0.70391-0.70715)和含金云母尖晶石单斜辉石岩(0.7142-0.7149)的熔体中混入了再循环的地壳物质。石榴石辉石岩和其反应的寄主橄榄岩表现出一致的Ca同位素组成 (辉石岩: δ^44/40Ca = 0.90± 0.05‰，2sd，n=10; 橄榄岩: δ^44/40Ca = 0.89 ± 0.04‰, 2sd, n=8；包括成对的石榴石辉石岩和其周围受交代的寄主橄榄岩，n=8，图1)。尖晶石辉石岩和含金云母单斜辉石岩同样具有相似的Ca同位素组成 (0.94±0.06‰，0.98±0.05‰)。以上结果表明，在熔体分离结晶和硅酸盐熔体-橄榄岩反应的过程中，即使有再循环的硅酸盐物质加入，也不会造成Ca同位素的变化。这一结果也预示着不同的地幔源区，即使具有不同种类和比例的辉石岩组分，其Ca同位素组成总体上仍然保持一致(图2)。

图2. 汉诺坝地幔辉石岩和橄榄岩以及目前报道的地幔岩石Ca同位素组成。灰色点为已发表的地幔岩石Ca同位素数据。灰色阴影为硅酸盐地球和上地幔Ca同位素组成。

以上的研究结果意味着，从含有辉石岩的地幔源区熔融产生的岩浆，即使具有极大的放射性同位素差异，其Ca同位素组成的变化也可以十分有限（放射性同位素与稳定同位素解耦，图3）。目前的研究发现，一系列源自不同地幔源区（DMM, EM1 和 HIMU）的玄武岩样品，其δ44/40Ca并没有系统的变化(图3)，这一现象与我们的结论相吻合。目前已发现的一些地幔岩石以及玄武岩样品中存在巨大的Ca同位素变化，因此可能与地幔辉石岩无关，而可能应归于其它的原因，诸如不平衡状态下的动力学分馏、沉积碳酸盐再循环作用或者熔融发生时源区大量石榴子石的残留等。本文研究成果显示Ca同位素在示踪碳酸盐循环过程以及幔源岩浆源区性质上具有巨大的潜力。

图3. 汉诺坝不同类型辉石岩和橄榄岩δ^44/40Ca组成与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的关系。不同类型的玄武岩(HIMU,MORB,EM1，详见图中阴影)具有相似的δ^44/40Ca。一些受碳酸盐影响的天然样品(如来自腾冲和夏威夷的玄武岩以及来自繁峙的橄榄岩)同样在图中展示加以对比。

文章信息：本文第一作者戴唯为团队硕士研究生，通讯作者为其导师汪在聪教授。

Dai, W., Wang, Z.*, Liu, Y., Chen, C., Zong, K., Zhou, L., Zhang, G., Li, M., Moynier, F. and Hu, Z. (2020) Calcium isotope compositions of mantle pyroxenites. Geochim. Cosmochim. Acta 270, 144-159. https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.11.024