碳酸岩与铂族元素地球化学

碳酸岩（carbonatite）被视为一种研究大陆地幔地球化学的“探针岩石”,通过对这类岩石的研究,在探讨地幔组成与演化、地幔交代作用与不均一性以及岩浆形成的动力学背景、岩浆来源及演化和有关矿产的成矿作用等方面,具有重要的理论意义和实际价值。铂族元素（Platinum—group elements,简称PGE）在研究核-幔分异、地幔组成与演化以及幔源岩石（主要为基性-超基性岩）形成的大地构造背景、岩浆起源及演化,以及探讨K／T界线与陨石撞击事件等方面具有重要意义。本文在概述国内外碳酸岩和PGE地球化学研究现状的基础上,结合地质事实和地球化学研究成果,认为碳酸岩熔体具有一定携带PGE的能力,可利用PGE地球化学来探讨碳酸岩的源区特征和岩浆形成与演化过程;同时指出,碳酸岩PGE地球化学研究过程中还存在许多悬而未决的科学问题。     

火成碳酸岩的实验岩石学研究及对地球深部碳循环的意义

火成碳酸岩是地表出露较少的幔源岩石之一。实验岩石学研究表明碳酸盐化的橄榄岩和循环的地壳物质(如碳酸盐化榴辉岩或泥质岩)的低程度(<1%)部分熔融均可以产生碳酸岩质的熔体,其中碳酸盐化泥质岩具有最低的熔融温度且更加富碱质、CO2和不相容元素;富CO2的霞石质等硅酸盐岩浆也可以通过不混溶或分离结晶作用产生碳酸岩,用于解释碳酸岩在空间中常与碱性硅酸岩的共生关系。由于碳酸岩熔体具有极低的粘度和高的活性,形成后在上升过程中会将二辉橄榄岩转变为异剥橄榄岩,是引起地幔交代作用和地幔地球化学不均一性的重要介质之一。实验表明在俯冲作用过程中,大多数的碳酸盐在位于岛弧之下的含水熔融并不分解而是被带入到深部地幔并且稳定存在,含碳地幔的熔融又会形成碳酸岩质的熔体,这说明俯冲循环物质可能对碳酸岩的成因也起着重要的作用。然而,对于碳酸岩的初始熔体成分、岩浆演化、地幔交代作用、成矿特征以及碳从地球深部返回到地表的途径和过程等都存在着很大的争议。我国火成碳酸岩出露相对较多,分布广泛,因此,加强我国碳酸岩以及伴生硅酸岩的成因研究,同时开展与碳酸岩相关的实验岩石学工作,不仅可以检验现有的成因理论,而且有助于提高我国对火成碳酸岩的研究水平;由于其特殊的成因背景,还可为许多存在很大争议的重大地质事件提供新的科学依据。     

碳酸岩岩浆与地壳反应综述

碳酸岩是地表出露较少的地幔来源的岩石,其地幔交代作用已被广泛研究,而碳酸岩岩浆与地壳的反应过程却研究较少,目前已在中国草滩和丰镇地区、德国Kaiserstuhl地区、俄罗斯Petyayan-Vara地区和澳大利亚Nolans Bore矿床等各地被报道。碳酸岩岩浆与地壳反应的特征是可能形成大量富铁云母、辉石、榍石、钡冰长石等硅酸盐矿物并造成C-O和Sr-Nd同位素体系的扰动。实验岩石学研究发现碳酸岩岩浆在地幔与橄榄岩反应形成异剥橄榄岩,对应的在中下地壳反应形成反夕卡岩。碳酸岩岩浆与围岩的反应会造成局部Si的富集促使REE在早期岩浆阶段进入磷灰石,从而抑制稀土成矿。深部地壳的碳酸岩-硅酸岩反应在相同构造背景下通常不像浅部热液系统容易出露地表,并且其反应产物容易被误认为是夕卡岩矿物组合。因此,更多的高温高压实验研究以及对硅酸盐流体来源不是很清楚的高温夕卡岩矿物组合进行重新评估,将是揭示地壳深部反夕卡岩过程,特别是相关成矿作用的关键。     

造山带碳酸岩起源与深部碳循环

碳酸岩是揭示地幔地球化学动力学的"探针岩石",迄今有关碳酸岩的研究集中在裂谷环境,而鲜见造山带地区碳酸岩研究的报道。在四川攀西喜马拉雅期造山带、秦岭造山带和华北中央造山带内均有碳酸岩产出,且蕴藏了大型稀土和钼矿床,是研究深俯冲、壳-幔作用和深部碳循环的理想实验室。传统观念认为碳酸岩形成于裂谷环境与地幔柱活动相关,而造山带碳酸岩很可能是陆源富碳沉积物俯冲至地幔低程度熔融的产物。中国造山带内碳酸岩地球化学研究均显示了地壳物质对碳酸岩地幔源区的贡献,这暗示地表碳俯冲至深部地幔,交代地幔发生熔融,这不仅为较还原的地幔源区提供富氧成分,还可以使碳酸岩的母体岩浆更富集稀土,形成稀土矿床。     

白云鄂博Fe-REE-Nb建造地球化学特征及成因：元素及同位素新证据

通过野外地质观察和室内镜下研究,利用XRF和ICP-MS对白云岩及其周围的板岩的主、微量元素进行分析,同时对硫化矿化的样品开展硫同位素测试。元素测试结果显示白云鄂博Fe-REE-Nb建造白云岩既具有部分火成碳酸岩的地球化学特征,也具有部分沉积碳酸岩的地球化学特征,表明白云鄂博Fe-REE-Nb建造赋矿白云岩不是典型的火成碳酸岩或沉积碳酸盐岩。硫同位素的测试结果表明,全岩的硫同位素组成不呈塔式模型分布,出现两个比较明显的峰值,一个在0‰左右,具有深源特征;另一个在+8‰左右,明显高于幔源硫,这个结果说明其来源可能有两个:地幔和海水。赋矿白云岩中Nb随着稀土的富集也发生富集作用,但是Ta的富集作用却十分微弱,显示了成矿热液强烈富REE和Nb及贫Ta的元素地球化学特征。据元素和硫同位素结果,我们认为白云鄂博赋矿白云岩是沉积碳酸盐受地幔碳酸岩岩浆及派生的流体交代的产物,而非直接源于火山碳酸岩喷发成因。地幔深部碳酸岩岩浆及其派生的富稀土流体沿区域性深大断裂上涌与沉积碳酸盐岩进行交代作用,形成了白云鄂博独特巨大的Fe-REE-Nb矿床及区域性的稀土矿床。     

地球深部碳循环与碳酸岩成因研究进展

地球深部碳循环是指地球表层的碳在俯冲带进入地幔深部,然后通过岩浆或者脱气作用再把地幔中的碳释放到地球表层系统中的过程。人类对地球深部碳赋存形式和储量、不同储库的交换方式和交换量尚缺乏清晰认识,近年来随着分析技术的发展和研究的深入,深部碳循环的研究日益丰富。本文总结了地幔中碳赋存状态、地球深部碳储量、碳进出地幔方式及通量、俯冲带碳的行为和碳酸岩成因及成矿方面的研究。地幔中碳赋存形式多样且主要受地球深部压力及氧逸度控制。相平衡实验和热动力学计算发现碳酸盐化榴辉岩在300～600 km发生部分熔融,交代地幔橄榄岩形成碳酸盐化地幔橄榄岩。碳酸盐化地幔橄榄岩的熔融又会形成碳酸岩熔体,这说明俯冲再循环物质可能对碳酸岩的成因起重要作用。碳酸岩是研究深部碳循环的良好载体,其源区特征、岩浆演化过程对示踪碳在地幔和地壳过程中的迁移至关重要。虽然深部碳循环在碳赋存形式、碳储量及通量、俯冲带碳的流变行为和碳酸岩成因对深部碳循环的启示方面已经取得了较大的研究进展,但仍有大量的科学问题亟待解决,如:沉积碳酸盐岩再循环进入地球深部后的行为、俯冲带板片流体地球化学行为、俯冲带流体氧逸度特征等,将来有必要重点开展深入研...     

序言

<正>铌(Nb)和稀土(REE)是我国重要的战略性矿产资源,前者极度依赖于进口,而后者则是我国的优势矿产。铌和稀土矿床在全世界(包括中国)分布广泛,且类型多样,其中与碱性岩-碳酸岩杂岩相关的矿床是铌与稀土(尤其是轻稀土)资源最重要的来源。碱性岩-碳酸岩杂岩主要来自地幔,且产出于一些特殊的构造背景(如裂谷或陆内伸展、碰撞后伸展、地幔柱、火山弧等),是研究深部地幔富集与熔融过程、物质(如碳)循环和深部动力学机制的重要“岩石探针”,是当前固体地球科学研究的前沿和热点领域之一。因此,研究碱性岩-碳酸岩杂岩的形成机制及相关的Nb-REE成矿作用,不仅具有重要的岩石成因和地球动力学意义,     

甘肃礼县新生代火山喷发碳酸岩的发现及意义

甘肃礼县新生代钾霞橄黄长岩中有大量火山喷发碳酸岩出露，本文对该区各种碳酸岩的地质产状，岩石特征，全岩化学及稀土，微量和C、O同位素地球化学进行了研究，结果表明本区碳酸岩属于一种高CaO低碱（Na2O K2O)的火成碳酸岩，其化学成分与东非裂谷乌干达FortPortal地区的碳酸岩相似，其中碳酸岩的火山砾岩和凝灰岩具有高的SiO2和Mg/Ca比值，化学成分显示了硅酸盐和碳酸盐混合的特征，可能代表直接由地幔部分熔融形成的原生碳酸盐岩浆。其它类型碳酸岩的成因与原生碳酸盐岩浆或原生钾霞橄黄长岩浆的液态不混溶作用和／或结晶分异作用有关。碳酸岩及共生的高钾火山岩不是典型的大陆裂谷岩浆作用的产物，其起源和成因与软流圈的上涌有关。碳酸岩的发现为查明本区地幔的组成和性质提供了新的岩石学证据。     

碳酸岩研究进展

碳酸岩(carbonatite)一词自首次被提出至今已有一百多年的历史,它是一种神秘而颇具争议的岩石类型。碳酸岩富含碳酸盐矿物,通常与基性、超基性或碱性硅酸盐岩伴生形成碳酸岩-硅酸盐岩杂岩体,具有独特的化学成分和矿物学特征并具有承载重要经济矿床的能力。在过去的几十年里,碳酸岩的研究在岩石成因及岩浆起源、地球化学与地质年代学、高温高压实验、与碳酸岩相关的经济矿产、碳酸岩型稀土矿床中稀土元素的富集分异及成矿机理等领域取得了巨大进步。本文从碳酸岩的定义与分类、成岩背景与时空分布、岩石学特征及矿物组成、岩浆起源及演化过程以及与碳酸岩相关的矿产资源等方面对碳酸岩的研究进展进行了综述与评论,提出从成因角度探索碳酸岩分类方案的必要性,总结和梳理了我国目前发现的碳酸岩的产地和分布特征,并认为碳酸岩岩浆与硅酸盐岩浆演化具有差异性,应重视对碳酸岩岩浆演化过程中熔体-流体过渡阶段的研究。最后从文献计量学角度利用大数据和可视化手段对来自Scopus数据库的近十年以“carbonatite”为检索词的近千篇文献进行了可视化分析,总结归纳了碳酸岩现阶段的研究热点,并对未来碳酸岩的研究趋势进行了展望。     

西藏班公湖地区含镍碳酸岩成因探讨

野外调查发现西藏班公湖地区分布着众多的碳酸岩体,它们呈长几十米至几百米的岩株或岩墙产出,与蛇绿岩带中的超基性岩密切共生。这些碳酸岩体在成分上可分为2种：一种以方解石为主,w(CaO) 在42.74%～45.78%之间,为钙质碳酸岩;另一种以菱镁矿和菱铁矿为主,w(MgO)和w(Fe2O3) (全铁)分别为23.83%～29.85%和7.75%～16.85％,为镁质碳酸岩。微量元素地球化学显示钙质碳酸岩的原始地幔标准化曲线（蛛网图）与华北地块北缘内蒙古大青山地区壳源岩浆碳酸岩的原始地幔标准化曲线高度吻合;Nd、Sr、Pb同位素表明这些钙质碳酸岩最终仍然来源于地幔,接近EMⅡ地幔端员,TDM集中在697.4～881.9 Ma之间,说明它们最初是在晚元古代从地幔中分离出来,经喷发、沉积、变质,于中生代经镁铁质岩浆侵入、受热重熔形成。镁质碳酸岩在地球化学上既不同于幔源岩浆碳酸岩,也不同于壳源岩浆碳酸岩,而是与共生的含镍超基性岩具有完全一致的稀土元素特征,Pb同位素也显示出它们有一致的物质来源,εNd-ISr图则显示下地壳组分在岩体中有重要作用,这些特征说明它们是富CO2的深部流体在中下地壳对超基性岩交代的结果。     

锂同位素分析方法及其在大陆裂谷环境碳酸岩研究中的应用

锂同位素在地质学、地球化学研究中有着广阔的应用前景,壳-幔相互作用过程的锂同位素地球化学研究已经成为近年来国际上研究的热点之一。锂同位素在自然界中的变化较大,δ⁷Li 值为-45‰～+45‰。锂同位素分析手段目前主要有TIMS、Ion Probe、SIMS、MC-ICPMS等4种技术,其中MC-ICPMS仪器的出现,使锂同位素发展速度明显加快。自然界中很多地质作用过程均能使锂同位素发生分馏。目前,锂同位素已在陨石和宇宙化学、陆壳风化过程、洋壳热液活动及蚀变、板块俯冲及壳幔物质循环、地表水地球化学、卤水来源与演化、热液成矿作用等领域的研究中取得了显著成效,并将成为地球科学中具有巨大应用前景的一种新的地球化学手段。文章对锂同位素在大陆裂谷环境碳酸岩研究中的应用作了较全面介绍,内容包括研究意义、锂含量和锂同位素组成以及取得的主要认识,比如蚀变作用、岩浆分异作用、地壳同化作用和扩散分馏作用均未对碳酸岩、硅酸盐的锂同位素组成造成影响、俯冲作用和地壳循环均没有明显影响地幔的锂同位素组成、地幔温度条件下锂扩散模拟表明地幔中的锂更均一等等。最后简单对比了大陆裂谷环境和碰撞造山环境两类碳酸岩在锂同位素组成上的差别。     

昌乐玄武岩内刚玉巨晶（蓝宝石）中发现富碳酸盐和硫酸盐熔融包裹体及其意义

山东昌乐新生代玄武岩内的刚玉巨晶(蓝宝石)中含有多种类型熔融包裹体,其成分对了解华北深部地幔交代过程中的流/熔体性质和刚玉母岩浆特点具有重要意义.详细的岩相学和激光拉曼分析鉴定出一类富碳酸盐和硫酸盐成分的原生熔融包裹体以及一类含硫酸盐和氯化物等成分的次生熔融包裹体,二者同时还含有CO2和H2O.碳酸盐和硫酸盐成分在世界范围玄武岩内刚玉巨晶中是首次发现,结合已有的包裹体稀有气体同位素和测温资料,反映两种成分可能来源于交代地幔的碳酸岩熔体,预示着华北深部地幔不仅经历了硅酸盐成分的交代还经历了富碳酸盐和硫酸盐成分(碳酸岩)的交代,同时也显示刚玉母岩浆成分复杂,至少有富这两类成分物质的参与,刚玉很可能是硅酸盐岩浆/岩石和幔源碳酸岩岩浆相互作用的产物,后被玄武岩喷发携带至地表.     

地幔硫化物的物理化学性质及其地质意义

地幔硫化物是地球亲硫、亲铁元素的重要载体,与硅酸盐矿物有很大的物理性质上差别,它在高温高压条件下的物理化学性质是认识地幔物质组成及其不均一性的重要内容。此外,早期地球、火星、水星和月球幔部来源的硫化物对认识行星演化具有重要意义。地幔硫化物的存在条件、赋存方式以及元素分配系数受到硫化物和硅酸盐体系的化学平衡控制;硫化物在流体介质和固体介质中的迁移可以分别用斯托克斯方程和表面张力模型进行解释。基于目前的天然样品和实验研究结果,本文提出了地幔硫化物物理化学性质研究中尚存在的问题,并作展望：高温高压实验制约分配系数适用的元素含量远高于天然样品,导致亨利定律并不一定适用,要求开展元素含量更低的实验并进行测试;现有的线性或自然对数的经验方程不能准确描述硫化物-硅酸盐体系,机器学习可能揭示其错综复杂的热力学关系;硫化物熔体在深部地幔硅酸盐矿物表面的分布尚不清楚,对极端条件下的静水压力实验提出了需求。     

鲁西地区中生代碳酸岩类的微量元素和锶、钕同位素组成特征

对鲁西地区早白垩纪的碳酸岩岩体的稀土、微量元素和同位素组成的研究表明 ,鲁西碳酸岩不同于任何沉积成因的灰岩和变质成因的大理岩 ,而与世界典型的幔源碳酸岩具有相似的稀土元素组成 ,说明其为幔源成因 ,碳酸岩极度富集轻稀土元素。鲁西碳酸岩的锶、钕同位素组成表明其地幔源区为具有EMI和EMII端元混合特征的富集地幔。     

超高压相含水硅酸盐与下地幔水循环

<正>"水"在地幔的矿物中主要以晶格缺陷中的结构水形式存在,尽管其含量可能只有"10-6"的量级,但是这些微量的结构水会强烈的影响深部地幔矿物与岩石的化学物理性质,如矿物结构、岩石应变强度、部分熔融温度等,进而影响地幔的动力学性质和地球物理特征。大洋板块俯冲是"水"进入深部地幔的重要途径,各种高压、超高压含水相矿物是俯冲过程中"水"进入地幔的重要载体。因此,合成与研究超高压含水相硅酸盐矿物及其相变过程一直是实验岩石学的热点。     

汉诺坝-阳原火成碳酸岩成因探讨

大多数幔源硅酸盐岩浆都含少量碳酸盐岩浆,这些少量的碳酸盐岩浆在地幔演化中起了非同寻常的作用。本文报道了发现于汉诺坝、阳原地区新生代玄武岩中鲜见的火成碳酸岩。碳酸岩脉贯穿于玄武岩及其捕虏体橄榄岩,并导致橄榄岩强烈的碳酸盐化现象。碳酸岩脉主要由方解石组成(90%以上),岩石类型为方解石碳酸岩,含少量被裹挟的地幔橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和尖晶石等矿物。碳酸岩化橄榄岩由原先的黄、绿色变为紫褐色,灰白色网状碳酸岩细脉穿插其中。碳酸岩脉和碳酸盐化橄榄岩的全岩稀土含量很低(∑REE=8.7×10-6～13.7×10-6),球粒陨石标准化REE模式呈LREE略微富集(～10×球粒陨石)分布模式,微量元素也只显示轻微富集(数倍于原始地幔),它们的δ13C均为负值(-11.2‰～-12.3‰),δ18O均为正值(22.0‰～22.6‰)。碳酸岩的Sr、Nd、Pb同位素组成均显示富集(87Sr/86Sr=0.7078～0.7079,143Nd/144Nd=0.5129,206Pb/204Pb=18.0,207Pb/204Pb=15.5,208Pb/204Pb=38.0)。由于碳酸盐岩浆喷出地表后易于风化,导致REE、微量元素和同位素组成明显偏离原生火成碳酸岩。但从张北少数新鲜碳酸岩所具有的原生火成碳酸岩的C、O同位素组成(δ13C=-5.7‰～-7.3‰,δ18O=8.5‰～10.1‰)特征,以及接沙坝碳酸岩的正εNd(5.3～5.5)为亏损地幔的特征,表明汉诺坝碳酸岩与玄武岩的同源性——它们都来自地幔。     

华北古元古代碳酸岩起源深度及现代板块构造启动

俯冲作用是改变地球内部物质演化的关键因素之一,而现代板块的启动时间一直存在争论.华北克拉通中部造山带内蒙古丰镇古元古代碳酸岩内超硅石榴石包体和榴辉岩捕虏体的发现,为研究岩浆起源深度和板块构造提供了窗口.矿物学和高温高压实验限定超硅石榴石（Si~3.18 pfu）富集三价铁（Fe3+/∑Fe~0.8）,来源于地幔约400 km的深度表明碳酸岩岩浆起源于地幔过渡带.矿物对温压计和P-T视剖面图确定榴辉岩捕虏体变质峰期温压分别为~660 ℃和~2.65 GPa,温压梯度为~250 ℃·GPa-1,与现代板块深俯冲产物相似,说明现代板块构造在古元古代已经启动.统计显示全球古元古代碳酸岩与造山带内高压变质岩石密切共生.全球古元古代的板块俯冲可能与哥伦比亚超大陆的拼合有关.大规模板片俯冲携带地壳沉积物质进入深部地幔,形成碳酸岩岩浆及氧化的富Fe3+超硅石榴石.地壳物质在地幔源区循环约20亿年,导致了地幔源区的不均一性以及长时间的碳循环.      

地幔流体研究的某些新进展

国家自然科学基金项目“地幔流体与软流层(体)地球化学”是通过幔源包体、巨晶的直接研究和碱性玄武岩、金伯利岩、火成碳酸岩、煌斑岩等的反演,着重探讨地幔中的流体地球化学问题。当代地球科学发展的一个趋势是在原来各分支领域研究不断深化的同时,需要在更深层次的地球深部去探寻共同的地质学、地球物理、地球化学和地球动力学决定因素。地壳中的大地构造、变质、岩浆、热沉积、热液等内生作用是如何产生和运动的?中外学者现在已经不约而同地     

白云鄂博富稀土元素碳酸岩岩墙的地球化学特征及稀土富集机制

本文重点解剖了一条距白云鄂博REE-Nb-Fe矿床东矿NE方向3 km,切割白云鄂博群H1及H2岩性段的细粒方解石碳酸岩岩墙的岩石地球化学特征。结果表明,碳酸岩的稀土元素含量变化大,最高可达20%,已构成稀土富矿石。碳酸岩的轻稀土元素高度富集,轻、重稀土元素之间发生了极度分馏,但无Eu异常的显示。形成这种岩石地球化学特征的可能机制为：碳酸岩浆直接来源于岩石圈富集地幔的低程度部分熔融作用(F<1%),残留地幔矿物组合以富含石榴石为特征;碳酸岩浆在地壳深部岩浆房中的分离结晶作用。碳酸岩的稀土元素和微量元素分布型式均与白云鄂博REE Nb-Fe旷床的赋矿细粒白云石大理岩十分相似。然而,碳酸岩的主要元素以Ca为特征,不同于赋矿细粒白云石大理岩。本文认为造成这种差异的原因在于碳酸岩岩墙没有遭受大规模的白云岩化作用的影响,而赋矿绌粒白云石大理岩则可能是碳酸岩经白云岩化作用的产物。     

碳酸岩研究新进展

主要从时空分布、岩石学、矿物学、地球化学及C-O-Sr-Nd-Pb同位素特征等方面对碳酸岩进行全面总结,结合近20年来的实验岩石学资料,论述了其岩浆的分异演化过程、地幔交代作用及源区物质组成。碳酸岩具有极高的Sr、Ba和稀土含量(平均ΣREE=3731),Sr-Nd-Pb放射性同位素、C-O稳定同位素和惰性气体组成以及实验岩石学证据,均指示碳酸岩来自地幔,几乎没有受到地壳物质的混染。碳酸岩研究仍存在诸多争议,但本文认为,越来越多的证据显示碳酸岩的形成与大火成岩省以及地幔柱活动有密切的时空联系。