近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院黄建副教授和合作者在地幔榴辉岩成因的研究中取得突破。他们利用Zn-Mg-O等多稳定同位素体系联合示踪，证实南非Roberts Victor金伯利岩中地幔榴辉岩可以由深部地幔熔体高压结晶形成。相关研究成果以“Zn-, Mg- and O-isotope evidence for the origin of mantle eclogites from Roberts Victor kimberlite (Kaapvaal Craton, South Africa)”为题发表在国际著名地质学期刊Geology上。
金伯利岩中不仅产出金刚石，还存在包括地幔榴辉岩在内的各种捕虏体。这些地幔榴辉岩捕虏体能够为克拉通的形成和演化、大陆地壳的生长以及金刚石的形成提供重要信息。关于地幔榴辉岩的成因存在长期争论，其核心问题最终聚焦在两个假说：俯冲模型认为地幔榴辉岩代表经历俯冲变质的古洋壳，而岩浆模型认为地幔榴辉岩是深部地幔熔体高压结晶的产物。
图1. (A)Type I榴辉岩。石榴石中含有大量的熔流体包裹体；(B)TypeII榴辉岩。石榴石中没有发现熔流体包裹体。
稳定同位素是常用的地球化学示踪手段，但是单一稳定同位素体系通常具有多解性。本研究利用Zn-Mg-O同位素体系联合约束南非卡普瓦尔(Kaapvaal)克拉通罗伯茨维克多(Roberts Victor)地幔榴辉岩的成因。Roberts Victor榴辉岩可以分为TypeI和TypeII两类(图1)。矿物学、岩石学和地球化学资料证实TypeI榴辉岩是TypeII榴辉岩经历强烈交代作用后的产物，而TypeII榴辉岩保留了原岩的性质。因此，Type II榴辉岩是制约地幔榴辉岩成因的理想样品。富集碳酸盐的蚀变洋壳富集轻Mg-重O同位素，因此俯冲洋壳再循环不能解释Type II榴辉岩的轻Mg-轻O同位素特征。Kaapvaal克拉通地区的深部地幔本身具有轻O同位素组成以及Type II榴辉岩的δ66Zn和δ26Mg显示良好的负相关性，反映了深部熔体-橄榄岩反应引发的Zn-Mg同位素动力学分馏。
图2概括了Type II榴辉岩形成的具体过程，富集轻O同位素的深部地幔熔体上涌，熔体-橄榄岩反应引发Zn-Mg同位素动力学分馏，最终导致迁移的熔体富集重Zn-轻Mg同位素；该熔体侵入到岩石圈-软流圈界面处，冷却固化、高压结晶形成Type II榴辉岩。因此，Roberts Victor榴辉岩是深部地幔熔体高压结晶的产物(图2)。
图2. 南非Kaapvaal克拉通Roberts Victor榴辉岩成因模式图和熔体-橄榄岩反应引发的Zn-Mg同位素动力学分馏示意图
本研究证实了地幔榴辉岩可以由深部熔体高压结晶形成，丰富了我们对地幔榴辉岩成因以及深部地幔过程中金属稳定同位素分馏行为的认识。
论文第一和通讯作者为中国科学技术大学黄建副教授，合作者包括澳大利亚麦考瑞大学黄金香博士、Williams L. Griffin教授以及中国科学技术大学黄方教授。研究项目得到国家自然科学基金委面上基金(41773002)和中国科学院青年创新促进会(2019449)联合资助。
论文链接：https://doi.org/10.1130/G49780.1
（地球和空间科学学院、科研部）
