近年的研究发现幔源岩浆（如火成碳酸岩、金伯利岩、玄武岩）往往具有比全硅酸盐地球（BSE, Bulk silicate Earth, δ44/40Ca = 0.94 ± 0.05‰）偏轻的钙稳定同位素组成（如δ44/40Ca ≤ 0.85‰），目前对于其成因的解释仍存在争议。一方面，由于地表碳酸盐的δ44/40Ca值可以显著低于BSE值（如δ44/40Ca ≤ 0.2‰），部分学者认为幔源岩石的低δ44/40Ca特征可能继承自地幔源区中具低δ44/40Ca特征的再循环碳酸盐；另一方面，由于地幔部分熔融过程会引起Ca同位素分馏并造成熔体的δ44/40Ca值相对于地幔源区降低约0.1‰及以上，因而部分学者认为幔源岩石轻的Ca同位素组成仅用部分熔融过程即可解释，难以指示再循环碳酸盐的贡献。鉴于此，幔源岩浆的Ca同位素组成能否用于示踪地幔中的再循环碳酸盐仍需进一步探讨。考虑到来自碳酸盐化地幔源区的岩浆常常具有高的CaO/Al2O3比值和低的SiO2含量，Zr、Hf、Ti等不相容元素的亏损，以及轻的Mg和重的Zn同位素组成，Ca同位素与这些反映地幔源区碳酸盐化的地球化学指标之间是否耦合，对于鉴别幔源岩浆低δ44/40Ca特征究竟源于再循环碳酸盐还是地幔部分熔融过程具有重要意义。

        基于上述科学设想，“幔游”课题组对来自内蒙古阿巴嘎–达里诺尔火山群的一套具有广泛化学成分变化的玄武岩开展了系统的全岩主微量元素和Ca–Mg–Zn同位素研究。这些玄武岩的CaO/Al2O3比值和P2O5含量随着SiO2含量的降低而增加，Hf/Hf*和Ti/Ti*比值随着SiO2含量的降低而降低。类似的地球化学特征通常见于碳酸盐化地幔熔融产生的玄武岩浆，因此这些玄武岩可能起源于碳酸盐化的地幔源区。钙同位素分析结果表明，这些玄武岩的δ44/40Ca值变化较大，范围为0.63‰至1.04‰，从与BSE值相近到明显低于BSE值。研究的玄武岩具有较高的MgO含量（多高于8 wt%），仅经历了橄榄石和少量单斜辉石的分离结晶，而这两种矿物的分离造成的δ44/40Ca变化通常小于0.07‰，难以解释上述显著的Ca同位素组成差别。定量计算表明，石榴子石橄榄岩或富石榴子石的辉石岩（或榴辉岩）的部分熔融也难以解释玄武岩显著的Ca同位素组成变化以及部分样品极低的δ44/40Ca值（低至0.63 ‰；图1）。因此，样品表现出的显著Ca同位素变化很可能反映了地幔源区的不均一性，且源区中有轻Ca同位素（如δ44/40Ca < 0.63 ‰）组分的加入。

图1. 部分熔融过程中的Ca同位素分馏定量模拟

    这些玄武岩的Ca同位素组成与SiO2含量以及CaO/Al2O3、Hf/Hf*和Ti/Ti*比值之间具有良好的相关性，且具低δ44/40Ca值的样品表现出高的CaO/Al2O3比以及低的SiO2、Hf/Hf*和Ti/Ti*值（图2），表明低δ44/40Ca特征很可能起源于碳酸盐化的地幔源区。更重要的是，样品的δ44/40Ca与其δ26Mg和δ66Zn值之间同样具有很好的相关性（图3），而轻的Ca同位素特征与轻的Mg和重的Zn同位素组成的耦合反映了再循环地表碳酸盐对玄武岩源区的贡献。由于不同的碳酸盐种类具有不同的Ca、Mg、Zn含量和同位素组成，地幔混入不同类型的碳酸盐后部分熔融所产生的熔体理论上也具有不同的Ca–Mg–Zn同位素组成。进一步的混合计算表明，若阿巴嘎–达里诺尔玄武岩的地幔源区含有5–10%的白云石，绝大多数样品的Ca–Mg–Zn同位素组成变化能够被重现（图3）。

图2. 玄武岩的δ44/40Ca与CaO/Al2O3、SiO2、Hf/Hf*和Ti/Ti*值之间的协变

图3. 玄武岩的Ca–Mg–Zn同位素协变与源区混合计算

        上述研究结果表明，幔源岩石轻的Ca同位素组成并不能完全归因于地幔部分熔融过程的影响，仍可能反映地幔源区中再循环碳酸盐的贡献。将Ca同位素与多种地球化学示踪手段充分结合，能够更好地揭示幔源岩浆轻Ca同位素组成的成因，也可以为进一步探讨Ca同位素在示踪地球深部碳循环方面的潜力提供更多的信息。

        相关成果以“Linking low δ44/40Ca basalts to recycled carbonates through coupled chemical and Ca-Zn-Mg isotopic covariations”为题发表在地球化学领域知名期刊《Chemical Geology》上。“幔游”课题组博士后徐航为论文第一作者，王小均副教授为论文通讯作者，课题组陈立辉教授和曾罡、刘建强、张笑宇、赵键，以及成都理工大学刘芳副研究员参与了该研究。该工作得到国家自然科学基金项目（42130310, 42322202, 42402064）和南京大学关键地球物质循环与成矿全国重点实验室对外开放基金（2024-LAMD-K11）的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254125004097?via%3Dihub