华北克拉通横贯造山带古元古代地壳来源碳酸岩的发现及其构造意义

本研究针对华北克拉通横贯造山带(TNCO)内冯镇古元古代(1681 Ma)碳酸岩的成因争议，通过矿物学、地球化学及Li同位素(δ7 Li)分析，揭示其源区为(变)沉积碳酸盐岩熔融，并受花岗岩和辉石岩混染。该成果为造山带内碳酸岩的地壳成因提供了关键证据，对理解深部碳循环及克拉通拼合过程具有重要意义。

　　

碳酸岩作为富含碳酸盐的火成岩，传统观点认为其主要源自地幔，是探索地幔演化、板块构造和深部碳循环的重要窗口。然而，近年来全球发现的21例地壳来源碳酸岩（如Hegner et al., 2020; Su et al., 2024a）挑战了这一认知，尤其造山带内部分"疑似地幔来源"碳酸岩显示出与地壳源相似的特征（Xu et al., 2019）。华北克拉通横贯造山带(TNCO)内冯镇碳酸岩便是典型代表——其缺乏金红石和霓长岩化(fenitization)等幔源标志，且具有沉积型C-O同位素特征，但前人仍主张其地幔成因（Xu et al., 2018）。这一争议亟需多学科证据厘清。

针对这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队重新考察了冯镇碳酸岩的野外露头与岩相学特征，并创新性地对碳酸岩中金云母(phlogopite)开展Li同位素分析。研究成果发表于《Precambrian Research》，揭示该碳酸岩实为古元古代碰撞背景下地壳物质熔融的产物，为造山带碳酸岩成因模型提供了新范式。

关键技术方法
研究团队采用电子探针(EPMA)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)分析碳酸岩中钙铁矿(calcite)、金云母等矿物的主微量元素；通过热电离质谱(TIMS)测定全岩Sr-Nd同位素；重点利用多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)测定金云母的Li同位素组成(δ⁷
Li)。对比数据涵盖全球幔源碳酸岩及同时代(变)沉积碳酸盐岩的Li同位素数据库。

研究结果

矿物元素组成特征
碳酸岩中钙铁矿呈现高Sr(462–23086 ppm)和轻稀土(LREE)富集特征，但稀土总量低于典型幔源钙质碳酸岩，且普遍具负Eu异常。金云母作为主要含Li相，其δ⁷
Li值(4.87–10.87‰，均值7.97±1.53‰)显著高于全球幔源碳酸岩(-3.6–4.8‰)，反而与古元古代(变)沉积碳酸盐岩匹配。

Li同位素组成的全球对比
冯镇碳酸岩的δ⁷
Li值较幔源碳酸岩高2–8‰，且与相邻大青山地壳源碳酸岩空间耦合。同位素模拟显示其母岩浆来自(变)沉积碳酸盐岩（贡献度>60%）与花岗岩-辉石岩的混合熔融。

结论与意义
该研究首次通过Li同位素指纹确证冯镇碳酸岩的地壳属性：其形成于华北克拉通东西陆块古元古代碰撞期间，富碳沉积岩部分熔融并混染深部地壳物质。这一发现不仅修正了TNCO内碳酸岩的成因认知，更提出造山带碳酸岩的"地壳熔融模型"，为全球类似构造背景下的碳酸岩成因研究提供新思路。研究还暗示TNCO可能隐藏更多古元古代地壳源碳酸岩，对完善克拉通拼合过程的碳循环机制具有深远意义。