锆同位素揭示碳酸岩成因及其对地幔碳酸盐化作用的启示

研究人员针对碳酸岩中锆(Zr)同位素组成长期缺乏系统性研究的问题，首次对全球不同时代、构造背景和矿物组成的碳酸岩开展稳定Zr同位素(δ94/90Zr)调查，发现未受后期改造的碳酸岩δ94/90Zr值为+0.31±0.08‰，较地幔值高约0.3‰，证实了地幔低程度部分熔融过程中的同位素分馏效应，为理解碳酸岩熔体-地幔相互作用提供了新标尺。

　　

在地球深部物质循环研究中，碳酸岩作为一类特殊的富碳酸盐岩浆岩，其形成机制长期存在争议。这类岩石虽然仅占地壳岩石的0.1%，却蕴含了丰富的高场强元素(HFSE)和稀土元素(REE)，是理解地幔不均一性和深部碳循环的关键窗口。然而，碳酸岩中锆(Zr)的含量变化可达5个数量级，这种极端波动与锆传统认知中的"不活动性"特征相矛盾。更令人困惑的是，碳酸岩熔体如何通过交代作用改造地幔物质的元素配分模式，至今缺乏有效的同位素示踪手段。

捷克科学院的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究，首次系统调查了全球不同时代(2060-40 Ma)碳酸岩的稳定Zr同位素组成。研究采用多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)分析技术，结合详细的岩相学观察，对来自东非裂谷、蒙古-外贝加尔等典型地区的21个碳酸岩样品进行了δ^94/90Zr测定（相对于IPGP-Zr标准溶液的千分偏差）。

样品特征与分析方法
研究选取的样品涵盖钙质、镁质和铁质碳酸岩，包括未受改造的新鲜样品（如东非Sukulu复合体的粗粒方解石碳酸岩）和受后期流体强烈改造的样品（如蒙古Khovd含重晶石碳酸岩）。通过电子探针(EPMA)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)进行矿物化学分析，结合全岩Zr/Hf、Nb/Ta比值测定，建立了同位素与元素地球化学的关联框架。

主要研究结果

1. 未改造碳酸岩的同位素特征
   未受后期流体改造的碳酸岩显示出均一的δ^94/90Zr值(+0.31±0.08‰)，较公认的地幔值高约0.3‰。这一差异被解释为地幔低程度部分熔融(<5%)过程中，轻Zr同位素优先进入熔体导致的动力学分馏效应。

2. 后期改造的影响
   受富F-OH流体改造的样品（如Khovd碳酸岩）呈现明显的⁹⁴Zr亏损（δ^94/90Zr低至-0.10‰），同时伴随Zr/Hf和Nb/Ta比值升高。这表明传统认为"不活动"的Zr、Nb在特定流体条件下具有显著迁移能力，并伴随同位素分馏。

3. 时间维度的一致性
   所有年龄段的碳酸岩均未显示δ^94/90Zr随时间变化的趋势，证实了碳酸岩源区（可能为交代地幔）的Zr同位素组成在20亿年内保持全球均一性。

结论与意义
该研究建立了碳酸岩Zr同位素的基础数据库，揭示出：
1）碳酸岩熔体形成过程中存在约0.3‰的Zr同位素分馏，为识别地幔低程度熔融事件提供了新指标；
2）富挥发分流体可显著改变HFSE的同位素和元素配分，这对理解地幔交代作用的化学指纹具有启示意义；
3）碳酸岩δ^94/90Zr值(+0.31‰)明显高于大陆地壳均值(+0.1‰)，使其成为识别地壳混染的有效工具。这些发现为完善深部碳循环模型和矿产资源勘查提供了新的地球化学约束。