2016年04月08日星期五

【研究亮点】刘琰等—GCA：钙质碳酸岩-硅酸盐液态不混溶过程中的铁-钙同位素分馏机制

来源:地调局地质所作者:刘琰，科技处发布时间:2026-04-02

　　碳酸岩与共生碱性硅酸岩（如正长岩）的成因联系是岩石学和矿床学研究的热点。实验岩石学表明，碳酸盐与硅酸盐熔体之间的不混溶作用可导致稀土元素强烈分配到碳酸盐熔体中，从而形成经济价值巨大的稀土矿床。然而，此前虽有实验研究报道了碳酸盐-硅酸盐熔体体系中的Fe、Ca同位素分馏，但实验温度（通常 >1000°C）远高于天然岩浆体系的温度，且实验多采用钠质碳酸岩成分，与天然钙质碳酸岩存在差异。研究实例中，现有不混溶铁同位素研究涉及碳酸岩-煌斑岩组合，但与碳酸岩伴生的硅酸岩约48%为正长岩。因此，在天然钙质碳酸岩-正长岩体系中开展Fe-Ca同位素研究，对于验证实验模拟结果、深化对碳酸岩成因的认识具有重要意义。

　　中国地质科学院地质研究所刘琰研究员、罗浩宇博士、中国地质大学（北京）吴洪杰副教授和侯增谦院士，针对牦牛坪超大型稀土矿床开展了系统的Fe和Ca同位素研究，率先在天然钙质碳酸岩-正长岩体系中定量约束了液态不混溶过程中的Fe-Ca同位素分馏行为，取得了以下进展：

1.显著的Fe-Ca同位素分馏

　　研究获得以下关键同位素数据：碳酸岩：δ56Fe = –0.26‰ 至 +0.09‰（平均 –0.13‰），δ44/42Ca = +0.26‰ 至 +0.33‰（平均 +0.28‰）；正长岩：δ56Fe = +0.10‰ 至 +0.36‰（平均 +0.24‰），δ44/42Ca = +0.37‰ 至 +0.42‰（平均 +0.39‰）。碳酸岩相对于共生正长岩显著富集轻Fe和轻Ca同位素，平均分馏值为：Δ56Fe碳酸岩-正长岩 = –0.37‰ ± 0.31‰；Δ44/42Ca碳酸岩-正长岩 = –0.11‰ ± 0.07‰（图1）。

图1 牦牛坪碳酸岩及正长岩Fe-Ca同位素组成

2.分馏机制为液态不混溶过程中的平衡分馏

　　系统排除了其他可能造成同位素分馏的因素：Fe-Ca同位素与SiO₂、MgO、Nb/Th、(La/Yb)N等反映结晶分异或部分熔融程度的指标无相关性；Ce/Pb比值与同位素无相关性，Sr-Pb同位素数据也不支持显著地壳混染；TIMA分析、LOI、CIA及C-O同位素均表明样品新鲜。因此，Fe-Ca同位素特征代表了原生岩浆过程。

　　基于全岩Zr饱和温度计计算的正长岩结晶温度为1082 ± 35 K（约809°C）。根据前人实验测定的Fe、Ca同位素平衡分馏系数计算了该温度下的分馏尺度：Fe同位素理论分馏值：Δ56Fe碳酸岩-正长岩 = –0.24‰ ± 0.11‰（Stuff, 2021）；Ca同位素理论分馏值：Δ44/42Ca碳酸岩-正长岩 = –0.088‰ ± 0.025‰（Antonelli et al., 2023）。这些理论分馏值与实测值在误差范围内重合（图2），表明牦牛坪碳酸岩-正长岩体系的Fe-Ca同位素分馏在液态不混溶过程中达到平衡。

图2 牦牛坪天然碳酸岩-正长岩不混溶Fe–Ca实测分馏与高温高压实验理论平衡分馏尺度对比（绿色菱形代表实测分馏值，彩色虚线代表理论平衡分馏尺度上下限；Sil：硅酸岩，Carb：碳酸岩）

3. 低δ^44/42Ca指示再循环海相碳酸盐的贡献

　　牦牛坪碳酸岩和正长岩的δ44/42Ca值均低于上地幔平均值（+0.46‰ ± 0.02‰），且与87Sr/86Sr呈负相关趋势，这一特征与全球碳酸岩Ca-Sr同位素数据的总体趋势一致（图3），指示地幔源区中存在再循环海相碳酸盐的贡献。结合区域地球动力学背景，研究认为新元古代以来洋壳俯冲携带的海相沉积物进入次大陆岩石圈地幔，经交代作用形成了富集REE的碳酸岩岩浆源区。

图3 牦牛坪碳酸岩及全球碳酸岩Ca-Sr相关性图（R² = 0.48,p < 0.001；绿色区域代表上地幔δ^44/42Ca组成（+0.46‰ ± 0.02‰））

　　本研究首次在天然钙质碳酸岩-正长岩体系中系统报道了液态不混溶过程中的Fe-Ca同位素分馏特征，验证了已有实验模拟的可靠性并建立了液态不混溶的同位素示踪标志。低δ44/42Ca特征为地幔源区中存在再循环海相碳酸盐提供了直接证据，支持了俯冲物质参与碳酸岩岩浆成因的模型。液态不混溶过程中Fe、Ca同位素与稀土元素的分馏行为可能存在耦合关系，未来可进一步探索同位素示踪在稀土成矿预测中的应用潜力。

　　本研究由国家自然科学基金创新群体基金（42521002）、中国地质科学院基本科研业务费（JKYDM2025114）、国家重点研发计划（2023YFF0804304）及包头稀土研究院基金（2025Z2629）的联合资助。成果发表于国际地球化学权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。

原文信息：

　　Liu, Y., Luo, H.Y., Wu, H.J., Hou, Z.Q. (2026). Iron and calcium isotopic fractionation during calcite carbonatite–silicate liquid immiscibility. Geochimica et Cosmochimica Acta, 416, 17–28. DOI: 10.1016/j.gca.2026.01.017.

参考文献：

　　Stuff, M. (2021) Fe isotope fractionation in carbonatite melt systems. Universität Potsdam.

　　Antonelli, M.A., Sartori, G., Giuliani, A., Schauble, E.A., Hoffmann, J., Schmidt, M.W. (2023) Calcium isotope fractionation during melt immiscibility and carbonatite petrogenesis. Geochem. Persp. Let. 28, 13–19.

科研成果

【研究亮点】刘琰等—GCA：钙质碳酸岩-硅酸盐液态不混溶过程中的铁-钙同位素分馏机制