地球不同圈层之间的相互作用塑造了如今的宜居环境。板块构造运动是地球深部和浅部圈层之间相互作用的核心机制。新生洋壳不断地在洋中脊生成，并通过板块构造运动循环至深部地幔。循环洋壳及上覆沉积物在俯冲过程中会相变，形成高密度的榴辉岩。这些循环榴辉岩的加入是改造深部地幔（如成分和岩性不均一）的主要方式之一。鉴别并约束循环榴辉岩在深部地幔的命运对板块构造理论具有重大意义。
相较于地幔，循环物质富集不相容元素且具有不同的放射性同位素组成。因此，长期以来幔源岩浆中的这些地球化学组分被用于研究壳幔相互作用。由于循环物质多为易融组分，虽然极小量的循环物质的加入不会改变地幔源区的岩性，但是可以造成派生熔体中具有强烈的循环物质信号。相对于微量元素，主量元素通常进入到矿物的晶格中，控制着源区的岩性，其稳定同位素组成能从岩石学角度反映地幔源区异常。例如，俯冲蚀变洋壳转变而来的榴辉岩本身具有与地幔不一样的Ca-Fe-Mg同位素组成，同时Ca-Fe同位素的分馏对榴辉岩相矿物组合敏感。特别地，由于岩石圈相对亏损Ca，深部地幔岩浆在穿越巨厚的岩石圈后，其初始Ca同位素组成理论上更易于被保存。这意味着Ca同位素与其他主量稳定同位素联用在示踪循环洋壳方面具有巨大的优势。目前，天然榴辉岩熔体的Ca同位素组成，以及榴辉岩熔体在地幔迁移反应过程中Ca同位素组成的变化仍然需要进一步进行研究。
中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组邹宗琪博士、徐义刚院士联合中国地质大学（武汉）汪在聪教授、西北大学陈立辉教授和王小均副教授，通过对东北新生代钾质玄武岩进行Ca同位素分析，并结合同一套样品的Fe-Mg同位素，对以上问题进行约束。结果表明榴辉岩化的循环沉积物部分熔融产生了低MgO的初始熔体 （图1）。该熔体具有轻Ca-Mg同位素和重Fe同位素的特征（图2-3）。初始熔体的Ca同位素组成显著低于MORB值，并且该特征在后续穿越岩石圈（贫CaO,富FeO和MgO）的过程中未被岩石圈改造。而初始熔体的Fe-Mg同位素组成则随着反应逐级趋向于地幔值（图3-4）。这一研究表明了Ca同位素是示踪榴辉岩的高效示踪剂。将Ca-Fe-Mg同位素结合，可以有效鉴别岩石圈对穿越其中的榴辉岩熔体的改造作用，进一步建立成分不均一和岩性不均一之间的联系（图4）。
该研究已发表在国际地球科学领域著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，本研究受国家自然科学基金青年基金项目（42203006)、国家自然科学基金基础科学中心项目(42288201)以及南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项（GML2022006）等基金联合资助。
论文信息：Zou, Zongqi (邹宗琪), Wang, Zaicong* (汪在聪), Wang, Xiao-Jun* (王小均), Xu, Yi-Gang (徐义刚), Chen, Li-Hui (陈立辉), Wang, Meiling (王美玲), Feng, Lanping (冯兰平), Li, Ming (李明), Liu, Yongsheng (刘勇胜) (2024), Calcium isotopic compositions of eclogite melts and negligible modification during reaction with lithospheric mantle. Geochim. Cosmochim. Acta 367, 58-71. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.12.031
图1，放射性同位素(如Sr-Nd-Pb同位素)和主量元素（如MgO）以及Mg(Fe)同位素之间的线性关系，表明该套玄武岩样品由高MgO端元和低MgO端元混合形成。低MgO端元具有低CaO/Al 2O 3，高Dy/Yb，重Fe同位素和轻Mg同位素特征。这一低MgO熔体来自循环的榴辉岩部分熔融。
图2，来自榴辉岩的低MgO熔体的Ca同位素组成约为0.67-0.75‰，低于MORBs值（0.85 0.09 ‰)。虽然碳酸盐化橄榄岩部分熔融可以生成具有较轻的Ca同位素组成的熔体，但该熔体通常具有高CaO/Al 2O 3的特征，显著不同于东北钾质玄武岩样品。东北钾质玄武岩的Ca同位素组成和MgO， Nd以及Dy/Yb等指标之间无线性关系。而OIBs的Ca同位素组成展现出榴辉岩熔体和橄榄岩组分混合的趋势。
图3，(a-b) 在地幔中，Ca主要赋存于单斜辉石、石榴石和碳酸盐中。地幔橄榄岩中单斜辉石是Ca的主要赋存矿物，而单斜辉石和硅酸盐熔体之间的Ca同位素分馏极小。因此，典型的地幔橄榄岩部分熔融产生的Ca分馏一般较小（<0.1‰）。而原岩为蚀变洋壳及沉积物的榴辉岩其Ca同位素比橄榄岩地幔偏轻。另一方面，在榴辉岩中Ca受控于石榴石和单斜辉石，且石榴石相对硅酸盐熔体更富集重的Ca同位素。因此，榴辉岩部分熔融可以形成具有轻Ca同位素组成的熔体。（c-d）低MgO熔体在向上迁移的过程中与亏损岩石圈反应 (SCLM+melt1=Opx+melt2)，形成高MgO玄武岩。这一过程导致初始熔体的Mg-Fe同位素显著变化（岩石圈富集FeO和MgO），而岩石圈对Ca同位素组成的改造极弱 (~0.66-0.78‰)。
图4，Ca同位素是示踪榴辉岩的有力示踪剂，并且将Ca-Fe(Mg)同位素结合，可以有效鉴别岩石圈对穿越其中的榴辉岩熔体的改造作用。同时，OIBs中随着榴辉岩信号的减弱（如Dy/Yb），榴辉岩熔体特征的Ca同位素组成也逐渐被橄榄岩组分稀释（图2），显著不同于东北钾质玄武岩。由于洋壳较薄，地幔柱温度较高，在地幔柱减压过程中，其橄榄岩也发生部分熔融，形成富CaO，FeO和MgO的熔体，从而在地幔源区与榴辉岩熔体混合，并稀释了榴辉岩的Ca-Fe-Mg信号。因此，将Ca-Mg-Fe同位素结合，能够在有效鉴别榴辉岩的同时，有效地揭示地幔源区的岩浆动力学过程。
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