综述：通过非传统稳定同位素方法确定地幔来源的超钾质岩石的成因

《Earth-Science Reviews》：Origin of mantle-derived ultrapotassic rocks constrained by non-traditional stable isotopes

　　

余晨|易翔陈

中国科学技术大学地球与空间科学学院，岩石圈与环境协同演化国家重点实验室，合肥230026，中国

摘要

源自地幔的超钾质岩石为研究地壳-地幔相互作用和岩石圈地幔的化学演化提供了重要窗口。尽管取得了显著进展，但仍存在一些主要不确定性，包括：（i）地壳物质如何参与其中；（ii）钾富集的地壳物质的来源和传输机制；（iii）地幔源的岩石学性质及其对物质循环的影响。本文综述了最新研究进展，并指出了传统Sr?Nd?Pb同位素方法在解析与超钾质岩石相关的交代作用机制和多阶段源改变化过程中的局限性。高精度分析技术在非传统稳定同位素应用方面的快速发展，为超钾质岩石的成因和地幔演化提供了新的见解。本文综合了B、Mo、K、Mg、Zn、Ca和Fe同位素的约束信息，并展示了这些系统与岩石学观察和微量元素系统相结合时，比任何单一指标都能提供更详细的成因解析框架。现有证据表明，再循环的沉积物成分通常会促进超钾质地幔源中的钾富集，而B–Mo–K同位素系统则能对板块作用、沉积物特征及交代作用介质（水溶液流体与含水熔体）提供互补的约束。在许多构造环境中，含碳酸盐的再循环成分也起着重要作用；其参与程度可通过Mg–Zn–Ca同位素系统和诊断性微量元素比值来评估。与碳酸盐相关的交代作用可能使地幔岩石向辉石质类型转变，并影响硅不饱和超钾质岩浆的生成；而Fe同位素结合氧化还原条件和源矿物学的独立约束，有助于评估这种岩石学变化。尽管非传统稳定同位素显著提升了我们对超钾质岩浆作用的理解，但仍存在关键挑战，如同位素的非唯一性、对分馏机制认识的不完全性，以及需要与岩石学和地球化学约束进行定量整合。未来的研究将依赖于多同位素方法的协同应用、实验条件的改进，以及矿物尺度和全岩分析的结合，以揭示超钾质岩浆源的复杂多阶段演化过程。

引言

超钾质岩浆作用是地壳-地幔相互作用最显著的表现形式之一。这类岩石的特点是钾（K₂O > 3 wt.%）和镁（MgO > 3 wt.%）含量极高，且K₂O/Na₂O > 2（Foley等人，1987年）（图1，图2）。它们出现在多种地质动力学环境中，包括碰撞后造山带、大陆弧和板块内域（Conticelli等人，2002年；Conticelli等人，2015年；Müller等人，1992年；Pang等人，2013年；Sun等人，2014年）。它们的地球化学特征，即大离子亲石元素（LILEs）富集和高场强元素（HFSEs）贫化，表明其地幔源在熔融前经历了显著的交代作用（图3）。因此，理解这种交代作用的本质对于揭示超钾质岩浆的成因以及控制地壳与地幔之间物质循环的更广泛过程至关重要。

尽管经过数十年的研究，关于超钾质岩石起源的几个基本问题仍未解决。大多数模型认为，交代作用地幔经历了低程度部分熔融，这通常归因于俯冲或大陆碰撞过程中地壳成分的加入（Ammannati等人，2016年；Avanzinelli等人，2007年；Avanzinelli等人，2009年；Conticelli和Peccerillo，1992年；Conticelli等人，2015年；Foley等人，1987年；Guo等人，2015年；Liu等人，2014年；Prelevi?等人，2012年；Sun等人，2014年）。然而，富集机制、改造后地幔源的矿物学和岩石学特征，以及富钾成分的最终来源仍存在争议。特别是，尽管俯冲沉积物被广泛认为是主要的交代作用介质，但其具体组成（例如硅质碎屑与富碳酸盐）、物理状态（水溶液流体、含水熔体或超临界流体）以及进入地幔的深度仍不明确。越来越多的证据表明，再循环的碳酸盐在超钾质岩浆作用中起着重要作用，影响熔体成分和地幔岩石学。最近的岩石学、实验和地球化学研究表明，即使在没有透闪石的情况下，大陆沉积物与贫瘠橄榄岩的相互作用也能产生富钾熔体；而微量元素系统（Zr/Hf、Nb/Ta、Ti/Eu）和矿物学证据越来越多地指向含碳酸盐成分的参与（例如，Bragagni等人，2024年；F?rster等人，2019年；Sepidbar等人，2023年；Talukdar等人，2018年；Wang等人，2017a）。这些过程不仅影响主要和微量元素的特性，还对深部碳循环有重要影响，因为碳酸盐的再循环会改变地幔成分，并可能长期储存和释放碳。

传统的岩石学方法和放射性同位素系统（如Sr?Nd?Pb）已经对再循环地壳物质在超钾质岩浆源中的参与提供了初步约束。然而，它们在解析沉积物组成、交代作用介质和传输路径的详细性质方面效果较差。高精度分析技术的最新进展使得非传统稳定同位素系统能够应用于超钾质岩石的研究，为解决这些长期存在的不确定性提供了新的机会。非传统稳定同位素（包括B、Mo、K、Mg、Zn、Ca和Fe）能够反映俯冲过程、沉积物组成、氧化还原条件和地幔矿物学的不同方面，从而对源特征和交代作用历史提供互补的约束。

在这篇综述中，我们综合了将非传统稳定同位素系统应用于研究源自地幔的超钾质岩石的最新进展。通过将这些同位素工具与岩石学观察和传统地球化学示踪剂相结合，我们旨在评估超钾质岩浆源中再循环成分的性质，评估水溶液流体与含水熔体在地幔交代作用中的作用，并探讨超钾质岩浆作用与深部碳循环之间的联系。

章节摘录

超钾质岩石的地球化学特征和分类

根据CaO、Al₂O₃、Na₂O、Na₂O/Al₂O₃和Mg#等主要元素参数，超钾质岩石大致可分为三个端元和一个过渡组。这四个具体组别分别是：兰普罗岩（Group I）、卡马富吉特岩（Group II）、斜长石白榴岩（Group III），以及介于Group II和Group III之间的过渡组（Foley等人，1987年；Foley，1992年）。兰普罗岩主要形成于稳定的大陆环境和碰撞造山带，如Leucite Hills地区

硼（B）同位素

硼（B）是一种中等挥发性的亲石元素，是地壳和地幔物质的重要组成部分（Marschall和Foster，2018年）。由于其高流动性及强亲水性，硼在表层储库（包括海水、海洋沉积物和大陆地壳）中富集（Marschall，2017年）。硼也是一种具有经济价值的非金属资源（Helvac?和Palmer，2017年）。它有两种稳定同位素，¹¹B和¹⁰B，它们的质量不同

与K、B和Mo等流体易移动的同位素系统相比，Mg–Zn–Ca同位素系统为长期地壳-地幔相互作用和物质循环提供了更可靠的示踪手段，尤其是对于再循环的碳酸盐成分。镁和钙是地幔矿物（如橄榄石、辉石和石榴石）的主要造岩元素，而锌主要存在于硅酸盐相中。因此，它们的同位素组成受小体积变化的影响较小

铁（Fe）是一种价态多变的过渡金属，在岩浆系统中主要以亚铁（Fe²⁺）和铁（Fe³⁺）形式存在。由于这两种氧化还原状态之间的平衡分馏，Fe³⁺相对于Fe²⁺更倾向于富集较重的铁同位素，使得Fe同位素对氧化还原条件和矿物学控制非常敏感（例如，Debret等人，2020年）。随着高精度分析技术的进步，Fe同位素的应用日益广泛

非传统稳定同位素大大扩展了我们对超钾质岩浆复杂起源的理解，超越了传统地球化学方法的局限。本综述的一个核心结论是，没有单一的同位素系统能够唯一确定地幔源的岩石学类型或交代作用介质。只有通过多个同位素系统的明确整合，才能得出可靠的解释，每个系统分别响应不同的物理和化学过程（见表1和

Eriksen等人，2024年

Wang和Jacobsen，2016年

我们声明不存在利益冲突。

本研究得到了中国教育部基础与交叉学科突破计划（编号：JYB2025XDXM911）和国家自然科学基金（编号：42273043）的支持。我们感谢Dejan Prelevi?教授和一位匿名审稿人的建设性意见，以及编辑Yan Wang教授的高效处理，这些都极大地提高了论文的质量。