塔里木大火成岩省瓦吉里塔格镁铁-超镁铁侵入体中地幔源区脱碳榴辉岩的锌同位素证据及其深部碳循环意义

针对塔里木大火成岩省（TLIP）地幔源区与俯冲洋壳相互作用的争议，研究人员通过锌同位素（δ66 Zn）分析，发现瓦吉里塔格镁铁-超镁铁侵入体的δ66 Zn值（0.27‰–0.48‰）显著重于洋中脊玄武岩（MORB），揭示了俯冲沉积碳酸盐通过脱碳反应进入地幔的机制。结合Rhyolite-MELTS模拟和MATLAB混合计算，证实Fe-Ti氧化物与橄榄石分异主导同位素分馏，为深部碳循环提供了新证据。

　　

研究背景与科学问题

地球深部碳循环是理解全球气候变化和矿产资源形成的关键环节。塔里木大火成岩省（TLIP）作为中国西北部的重要地质单元，其形成长期被认为与洋壳俯冲有关，但俯冲洋壳如何改造地幔源区仍存争议。传统观点认为，碳酸盐直接进入地幔会形成碱性熔体，但瓦吉里塔格地区的镁铁-超镁铁侵入体却呈现亚碱性特征，与预期矛盾。更蹊跷的是，这些岩石的锌同位素（δ⁶⁶
Zn）比洋中脊玄武岩（MORB）更重，暗示碳酸盐的贡献。这一“同位素-岩石学悖论”成为破解深部碳循环机制的关键突破口。

研究方法与技术路线

中国的研究团队选取瓦吉里塔格侵入体的10件样品（包括辉石岩、橄榄辉石岩和辉长岩），综合运用全岩主微量元素分析、锌同位素测试（δ⁶⁶
Zn精度±0.02‰–0.03‰）、Rhyolite-MELTS岩浆模拟及MATLAB lsqr()四端元混合计算，结合岩相学观察，排除了地壳混染（如Th/Nb<0.1、Nb/U>30），聚焦于地幔源区过程。

研究结果与发现

1. 锌同位素异常与碳酸盐印记
样品的δ⁶⁶
Zn（0.27‰–0.48‰）显著重于MORB（0.24‰–0.31‰），接近海相碳酸盐（0.91‰±0.47‰），但Sr同位素（⁸⁷
Sr/⁸⁶
Sr）却显示亏损特征。这种“重Zn-贫Sr”组合暗示碳酸盐可能通过脱碳反应（decarbonation）将Zn转移至硅酸盐（如透辉石、顽火辉石），而非直接熔融。

2. 矿物分异主导同位素变化
Rhyolite-MELTS模拟表明，Fe-Ti氧化物（如钛磁铁矿）和橄榄石堆晶是δ⁶⁶
Zn升高的主因。例如，富Fe-Ti氧化物相δ⁶⁶
Zn可达0.43‰，而橄榄石堆晶相为0.32‰，印证了岩浆分异过程的同位素分馏效应。

3. 脱碳反应模型
MATLAB计算揭示，俯冲碳酸盐（白云石、菱镁矿）在脱碳过程中，Zn优先进入硅酸盐相并保留重同位素特征，而CO₂
释放至流体相。这一机制解释了为何亚碱性岩浆仍能携带碳酸盐的Zn同位素信号。

结论与意义

该研究首次提出“脱碳榴辉岩”模型，阐明俯冲碳酸盐通过脱碳反应而非直接熔融改造地幔源区。这一发现不仅破解了TLIP亚碱性岩浆与重Zn同位素矛盾的谜题，更揭示了深部碳循环中“沉默碳”（通过硅酸盐固定的碳）的重要角色。成果发表于《Journal of Asian Earth Sciences》，为理解大火成岩省成矿作用（如瓦吉里塔格146 Mt钒钛铁矿）和全球碳循环提供了新视角。