碧玄岩-碱性玄武岩-拉斑玄武岩系列具有独特的地球化学特征，其成分转变与再循环的壳源物质密切相关。高温高压实验(Dasgupta et al., 2007)表明，无挥发分的橄榄岩熔融难以形成天然碱性岩浆的原始成分，但是碳酸盐化的橄榄岩/辉石岩/榴辉岩熔融却能形成高度硅不饱和的熔体，其成分非常类似霞石岩、碧玄岩和碱性玄武岩。然而，由于传统同位素（例如Sr，Nd，Pb和O同位素）难以有效识别再循环碳酸盐和硅酸盐物质（硅酸盐沉积物和洋壳等），再循环碳酸盐和硅酸盐沉积物对于该岩石系列的相对贡献尚不清楚。另一方面，由于海相碳酸盐岩和各种硅酸盐物质(如地幔、大洋中脊玄武岩和硅质沉积物等)之间的锌同位素(样品与标准物质JMC-Lyon之间⁶⁶Zn/⁶⁴Zn比值的千分偏差，表示为δ⁶⁶Zn)存在明显的差异，利用δ⁶⁶Zn可以有效示踪岩浆岩地幔源区中不同种类的壳源物质，尤其是碳酸盐。因此，传统同位素和δ⁶⁶Zn的结合将有助于我们揭示碧玄岩-碱性玄武岩-拉斑玄武岩系列的成因。

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朱扬涛在导师刘勇胜教授的指导下，以华北克拉通中部带（简称TNCO，Trans-North China Orogen）新生代碧玄岩-碱性玄武岩-拉斑玄武岩系列为研究对象，对其δ⁶⁶Zn进行了分析，并结合前人已经发表的主微量元素和Sr-Nd同位素(Xu et al., 2017)，揭示了碧玄岩-碱性玄武岩-拉斑玄武岩系列的成因。具体研究如下：

拉斑玄武岩具有相对均一的δ⁶⁶Zn（0.28 ± 0.04‰, 2sd），与大洋中脊玄武岩（δ⁶⁶Zn = 0.27 ± 0.05‰, 2sd）类似。而碧玄岩和碱性玄武岩相比于大洋中脊玄武岩则具有更高的δ⁶⁶Zn（从0.32‰到0.46‰）。考虑到岩浆过程（同化混染、分离结晶和部分熔融）和硅酸盐物质（包括硅酸盐沉积物和洋壳，δ⁶⁶Zn均在~0.2至0.3‰）的混合对δ⁶⁶Zn造成的分馏都十分有限，碧玄岩和碱性玄武岩的高δ⁶⁶Zn最有可能是再循环碳酸盐(δ⁶⁶Zn高达1.61‰)造成的。同时，δ⁶⁶Zn还与碳酸盐交代指标（Ti/Eu和Zr/Hf，图1a和b）存在良好的相关性，高δ⁶⁶Zn的碧玄岩和碱性玄武岩同时具有低Ti/Eu和高Zr/Hf。此外，碳酸盐化的地幔在发生部分熔融时，所形成的熔体的SiO₂含量将随着其溶解的CO₂含量的增加而降低(Dasgupta et al., 2007)。因此，TNCO新生代玄武岩的δ⁶⁶Zn与SiO₂之间的负相关关系（图1c）也证明碧玄岩和碱性玄武岩的地幔源区存在碳酸盐。综上所述，碧玄岩和碱性玄武岩的高δ⁶⁶Zn是其地幔源区混入了再循环的碳酸盐所致。

图1 TNCO新生代玄武岩δ⁶⁶Zn与（a）Ti/Eu，（b）Zr/Hf和（c）SiO₂含量之间的关系。

为了探究碳酸盐和硅质沉积物对TNCO新生代碧玄岩-碱性玄武岩-拉斑玄武岩系列地幔源区的相对贡献。朱扬涛等建立了δ⁶⁶Zn与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和ε_Nd之间的混合模型（图2）。模型显示，碧玄岩的地幔源区存在高比例的再循环碳酸盐（碳酸盐/硅酸盐沉积物≈4：1），拉斑玄武岩的地幔源区则存在高比例的硅酸盐沉积物（碳酸盐/硅酸盐沉积物≈1：4），而碱性玄武岩地幔源区的碳酸盐和硅酸盐沉积物比例则位于前两者之间。因此，碧玄岩-碱性玄武岩-拉斑玄武岩系列的地球化学组成变化主要是由于其地幔源区混合的再循环碳酸盐比例逐渐降低和硅酸盐沉积物比例逐渐升高所导致的。

图2 TNCO新生代玄武岩的Zn-Sr-Nd同位素组成和端元混合模型。主要涉及的三个端元依次为再循环碳酸盐、硅酸盐沉积物及正常大洋中脊玄武岩。C:S表示碳酸盐和硅酸盐沉积物之间的比例。

拉斑玄武岩只分布在TNCO北缘，例如：丰镇，靠近古亚洲洋的俯冲带（图4）。由于TNCO北缘的俯冲板片深度相对较浅（图4），而再循环的碳酸盐固相线相对较高(Dasgupta and Hirschmann, 2006)，TNCO北缘的地幔主要受到了硅酸盐沉积物的影响。因此具有高的SiO₂、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr（图3b和c）和低¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、Sm/Yb、Ce/Pb（图3d、e和f），以及与大洋中脊玄武岩类似的δ⁶⁶Zn（图3a）。而碧玄岩则只分布在TNCO中部，例如繁峙、大同、昔阳和平定(图4)。由于再循环碳酸盐在较浅的深度无法熔融(Dasgupta et al., 2007)，将会被带入到地幔深处。而TNCO中部则是俯冲板片深度最深的区域（图4），其源区主要受控于再循环碳酸盐，具有高δ⁶⁶Zn（图3a）、Zr/Hf（图2b）和低SiO₂（图3b）、Ti/Eu（图2a）。TNCO南缘的岩性为碱性玄武岩（图4），其δ⁶⁶Zn和其它地球化学特征都位于碧玄岩和拉斑玄武岩之间（图3），是碧玄岩和拉斑玄武岩的中间体，表明其地幔源区的俯冲板片深度在北缘和中部区域之间。综上所述，由于不同类型的再循环物质的固相线不同，随着俯冲深度的不断加深，俯冲板片释放的再循环碳酸盐逐渐增加，而释放硅酸盐沉积物逐渐减少，这可能是碧玄岩-碱性玄武岩-拉斑玄武岩系列成分变化的重要成因之一。

图3 TNCO新生代玄武岩的同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd和δ⁶⁶Zn）、主量元素（SiO₂）和微量元素比值（Sm/Yb和Ce/Pb）随纬度变化图。这些地球化学组成均从中间向南北两侧系统性变化。

图4 古亚洲洋板片和特提斯洋板片俯冲所引起的地幔成分转变示意图。

论文信息如下： Yangtao Zhu, Yongsheng Liu*, Rong Xu, Frédéric Moynier, Ming Li and Haihong Chen. (2021). Deciphering the origin of a basanite-alkali basalt-tholeiite suite using Zn isotopes. Chemical Geology, 585, 120585. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120585.

参考文献：

Dasgupta, R., Hirschmann, M.M. (2006) Melting in the Earth's deep upper mantle caused by carbon dioxide. Nature. 440, 659-662.

Dasgupta, R., Hirschmann, M.M., Smith, N.D. (2007) Partial Melting Experiments of Peridotite + CO2 at 3 GPa and Genesis of Alkalic Ocean Island Basalts. Journal of Petrology. 48, 2093-2124.

Xu, R., Liu, Y.S., Wang, X.H., Zong, K.Q., Hu, Z.C., Chen, H.H., Zhou, L. (2017) Crust recycling induced compositional-temporal-spatial variations of Cenozoic basalts in the Trans-North China Orogen. Lithos. 274-275,383-396.