碱性岩一般位于拉张环境，被认为是富集地幔低程度部分熔融形成，在我们研究壳幔相互作用和深部碳循环中起着重要作用。然而，与原始的超基性-基性碱性岩相比，演化的碱性岩成因存在争议。大量模型被用于解释演化碱性岩如响岩或霞石正长岩的来源。其中，幔源成因模式最为普遍，响岩质岩浆被认为是交代地幔直接低程度部分熔融形成，或者原始碱性岩浆结晶分异或不混溶形成。此外，一些古老的基性碱性岩或特殊地壳岩石重熔也可以具有响岩质成分。实验岩石学证据表明，碳酸盐化泥质岩在2.5 – 5 GPa压力下熔融可以形成响岩质熔体。

然而，在地表没有出露共生超基性-基性端元的情况下，很难识别演化碱性岩浆的来源。更甚的是，无论岩石学成因如何，全世界多数演化的响岩质岩浆有着相似的全岩微量元素特征。因此，我们很难通过全岩地球化学特征去示踪演化碱性岩的源区。重建原始碱性岩浆成分，示踪其来源和演化，碱性岩中的矿物档案可以扮演着至关重要的作用。要解决碱性岩的源区和演化，需要从矿物尺度的元素和同位素角度进行细致研究。

针对上述科学问题，中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队博士生虞凯章在导师刘勇胜教授的指导下，选取华北克拉通北缘的三叠纪武家山碱性岩为研究对象，结合矿物学、全岩和单矿物主微量及Sr-Hf同位素地球化学工作，重建原始岩浆成分，揭示了再循环碳酸盐化沉积物对地幔的交代作用。具体研究如下：

碱性岩成分为霞石正长岩，有着一致的锆石和榍石U-Pb年龄，约为235 Ma。这些碱性岩高度演化（SiO₂= 58.1 – 60.0 wt.%），具有Sr、Ba、Ti、P、Eu等元素的负异常和相对亏损的MREE，显示长石、磷灰石、榍石和角闪石等矿物的结晶分异。晚期结晶的低Mg#单斜辉石和长石具有明显的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.7052 – 0.7092)核边变化，主要归因于后期地壳同化混染作用。

原始碱性岩浆成分记录在早期结晶的高Mg# (70 – 84)弱Eu异常(Eu/Eu* = 0.94 – 1.29)单斜辉石中，显示其结晶于低分异的幔源岩浆(Mg# > 60)。这些单斜辉石变化的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值(0.7031 – 0.7060)与Sr/Y和(La/Yb)_N呈正相关，与Ti/Eu比值呈负相关，并与Mg#和Eu/Eu*无相关（图1）。此外，与高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr单斜辉石平衡的熔体稀土元素配分模式与邻近地区同期碱性岩相似。以上特征表明，原始碱性岩浆来源于亏损地幔和富集地幔物质的混合，富集地幔可能受到俯冲壳源物质熔融产生的碳酸盐熔体交代。碱性岩中的锆石具有较低ε_Hf(t)值(-1.4 – -2.8)，表明俯冲的壳源物质可能为碳酸盐化沉积物。在早期结晶的橄榄石、单斜辉石和锆石中发现原生方解石和CO₂包裹体（图2），加上角闪石和氟磷灰石这些矿物，揭示了碱性岩浆富集挥发分(H₂O、F和CO₂)，来源于碳酸盐交代的地幔。

碱性岩的矿物档案不仅记录再循环碳酸盐化沉积物对地幔的交代作用，同时记录了岩浆演化过程中的分离结晶和同化混染作用(图3)。

图1. 单斜辉石⁸⁷Sr/⁸⁶Sr vs. Mg#, S/Y, La/Yb和Ti/Eu比值图解（其中Type I core和Type II为早期结晶单斜辉石，Type III为晚期结晶单斜辉石）。

图2.（a）橄榄石中的方解石和CO₂包裹体和（b）锆石中的方解石包裹体。

图3. 单斜辉石和长石记录碱性岩浆演化及再循环碳酸盐化沉积物对岩石圈的改造示意图。（a）自古生代以来，古亚洲洋板块俯冲作用将碳酸盐化沉积物带入地幔，并经历部分熔融形成碳酸盐化熔体。碳酸盐化熔体与岩石圈地幔反应形成镁铁质脉体。（b）早中生代拉张活动中，来自亏损地幔和碳酸盐交代的富集地幔熔体混合后形成原始碱性岩浆。原始碱性岩浆在上升侵位过程中发生结晶分异和同化混染。（c）Type I和Type II单斜辉石记录了亏损地幔和富集地幔物质混合，Type III单斜辉石和长石记录了晚期的结晶分异和同化混染过程（AFC）

研究成果近期发表于国际期刊《Chemical Geology》上，该项研究成果获得了国家自然科学基金（41530211）和地质过程与矿产资源国家重点实验室专项基金（MSFGPMR01）资助。

论文信息如下：Kaizhang Yu, Yongsheng Liu*, Stephen F. Foley, Zhaochu Hu, Keqing Zong, Chunfei Chen and Chutian Shu. (2021). Reconstruction of primary alkaline magma composition from mineral archives: Decipher mantle metasomatism by carbonated sediment.Chemical Geology, 577, 120279. https://doi. org/10.1016/j.chemgeo.2021.120279