【研究亮点】朱鑫祥、刘琰等-GCA：碳酸岩熔体中非碱金属

与二氧化硅溶解度关系的实验证据

　　碳酸岩是一种幔源岩石，主要由50%以上的方解石、白云石等碳酸盐类矿物组成。碳酸岩实例研究显示，碳酸岩样品中往往含有大量的硅酸盐矿物，二氧化硅（SiO2）含量可高达20%。但这一现象受到了实验岩石学的挑战：在地壳压力和<1000℃的条件下，碳酸岩熔体中的SiO2含量极低，最高仅为10%。由此可见，地壳条件下碳酸岩熔体中SiO2的溶解度存在争议。又有研究指出碳酸岩体系下的稀土成矿过程与其中SiO2密切相关，因此准确厘定地壳环境下原始碳酸岩熔体中的SiO2溶解度，对于理解碳酸岩岩浆形成、演化及稀土成矿过程具有重要意义。

　　针对上述问题，中国地质科学院地质研究所博士后朱鑫祥、刘琰研究员及其合作者澳大利亚国立大学Michael Anenburg博士选取简化体系下的人工合成Na-K-Ca-Fe3+-Al-Si-F碳酸盐粉末置于氧化铝坩埚中，并在CO2气体饱和、小于1000℃的常压条件下开展了系列实验岩石学研究，取得了以下成果。

　　1.碳酸岩熔体中非碱金属与SiO2溶解度关系的实验证据

　　实验结果表明，当碳酸岩熔体中仅含有Na2O和K2O时，SiO2基本可溶于碳酸岩熔体之中（图1）。然而，一旦碳酸岩熔体中出现其他非碱性阳离子时，SiO2将与之反应形成难熔的硅酸盐矿物沉淀。例如，当在碳酸岩熔体中加入CaO时，SiO2将与之反应形成菱硅钙钠石等Na-Ca硅酸盐矿物沉淀；碳酸岩熔体还会与氧化铝坩埚内壁反应形成钾霞石矿物沉淀；在富含Fe2O3的体系中，SiO2在碳酸岩熔体中的溶解度同样很低，会沉淀出相应的富铁硅酸盐矿物沉淀。因此本研究提出：在地壳温压条件下的碳酸岩体系中，CaO等非碱金属与SiO2是不互溶的。这一结果与以往的实验研究结果一致，合理解释了迄今为止唯一实际观测到的碳酸岩熔体Oldoinyo Lengai钠质碳酸岩熔体在常压下异常富碱的成因。

图 1. 实验产物的背散射电子图像

（A）碳酸岩熔体及共生矿物；（B）从上至下为树枝状碳酸岩熔体、含碳酸岩熔体气泡的硅酸盐熔体、钾霞石、抛光污物和氧化铝坩埚；（C）树枝状碳酸岩熔体分化为富钾和贫钾相；（D）碳酸岩熔体中析出的小球状硅酸盐熔体；（E）骨架状钾霞石、偏硅酸钠和碳酸岩熔体；（F）针状钾霞石和碳酸岩熔体；（G）碳酸岩熔体和菱硅钙钠石斑晶。（H）碳酸岩熔体分化为富钾和贫钾相；（I）碳酸岩熔体与立方硅酸钙钠共生;（J）碳酸岩和硅酸盐熔体不混溶;（K）碳酸岩熔体与菱硅钙钠石共生;（L）蠕虫状碳酸岩熔体与菱硅钙钠石共生；（M）碳酸岩、硅酸盐和富铁硅酸盐熔体三相不混溶；（N）碳酸岩和硅酸盐熔体不混溶；（O）不混溶的碳酸岩、硅酸盐和富铁硅酸盐熔体与铁钾霞石共生。

缩写：CM-碳酸岩熔体；SM-硅酸盐熔体；FM-富铁硅酸盐熔体；Kls-钾霞石；Cbe-菱硅钙钠石；NMS-偏硅酸钠；NCSP-钙硅酸钠钙钛矿；NCSC–立方硅酸钙钠。

　　2.对碳酸岩-碱性岩杂岩体成因及稀土成矿过程的指示意义

　　由于天然碳酸岩熔体中往往都含有极高含量的Ca、Mg和Fe等非碱金属，在地壳条件下原生碳酸岩熔体中的SiO2会首先与之反应形成难熔的硅酸盐矿物，导致熔体中SiO2的含量极低。因此，现有研究中发现的高SiO2含量的碳酸岩岩体极有可能是由碳酸岩熔体-围岩之间发生反矽卡岩化反应后的反应产物，其中的SiO2主要来自于富硅的围岩而非碳酸岩熔体本身。同时进一步指出，与碳酸岩关系紧密的环状碱性硅酸岩杂岩体的成因可能也与反矽卡岩化反应有关。另外，以往研究中认为碳酸岩体系下与SiO2息息相关的稀土成矿过程可能难以发生在天然的碳酸岩体系中，因为原生碳酸岩熔体及其衍生的矿化流体中SiO2的含量极低，难以满足成矿所需。

　　本研究从碳酸岩熔体中SiO2含量角度着手，通过实验室岩石学研究，发现CaO等非碱金属与SiO2在地壳环境下的碳酸岩体系中是不混溶的，强调了反矽卡岩化作用在碳酸岩-碱性岩杂岩体成因及相关稀土矿化过程中的重要作用，为理解碳酸岩岩浆-围岩反应系统及指导稀土勘查提供了关键的实验依据。

　　本研究成果发表于国际权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。

论文信息：

Zhu Xinxiang, Anenburg Michael*, Liu Yan. 2025.Non-alkali metals titrate silica out of carbonatite melts into insoluble silicate minerals. Geochimica et Cosmochimica Acta, doi.org/10.1016/j.gca.2025.10.037.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.10.037.