中国科大金属稳定同位素实验室 CG | 大洋地幔橄榄岩的钙同位素组成及其同位素分馏特征

      钙（Ca）是组成地壳和地幔的重要碱土金属元素，具有很强的流体活动性，能够在水圈与岩石圈之间高效迁移。钙同位素已被广泛应用于示踪全球钙循环、地壳物质俯冲以及地幔演化等地质过程。现有研究显示大陆地幔橄榄岩钙同位素组成较为均一，δ^44/40Ca变化范围为0.8‰ ~ 1.0‰。受控于部分熔融、地幔交代作用以及化学扩散引发的动力学同位素分馏影响，少数橄榄岩样品发生显著钙同位素分馏。相比之下，大洋地幔橄榄岩钙同位素组成的研究仍十分匮乏，大洋地幔是否存在区别于大陆岩石圈地幔的钙同位素特征仍不清楚，橄榄岩与海水、热液流体相互作用过程中的钙同位素分馏机理也尚不明确。

      针对上述科学问题，中国科学技术大学黄方教授团队联合安徽理工大学等国内外单位，对来自加克尔洋脊、西南印度洋洋脊超慢速扩张段出露的深海橄榄岩样品开展了系统的研究。结果显示，弱蚀变样品具有烧失量低于2 wt.%、Sr含量低于10 μg/g、标准化CaO/SiO₂*与MgO/SiO₂*比值均小于0.1的特征，其δ^44/40Ca介于0.94‰ ~ 1.04‰，与全硅酸盐地球的估算钙同位素范围（0.94 ± 0.05‰）重叠（图1），说明大陆岩石圈地幔与大洋地幔两大储库的钙同位素组成不存在系统性差异。

图1：大陆岩石圈地幔和大洋地幔橄榄岩的钙同位素组成

      蚀变程度较高的橄榄岩样品具有较高的烧失量、高Sr含量与高标准化CaO/SiO₂*比值特征，其δ^44/40Ca显著偏低，变化范围为−0.15‰ ~ 0.82‰；同时，其⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.70907–0.70915，与海水Sr同位素组成相近。通过综合分析，本研究排除了蛇纹石化、原生硅酸盐矿物溶解以及表面吸附作用对轻钙同位素富集的影响，证实了海底风化过程中二次矿物文石的形成是大洋橄榄岩富集轻钙同位素的核心控制因素。本研究构建了橄榄岩与文石的两端元混合模型（图2），基于δ^44/40Ca与Sr含量的负相关关系，定量约束了文石端元的δ^44/40Ca范围为−1.20‰ ~ 0.10‰。理论计算获得的橄榄岩—文石间钙同位素平衡分馏系数对应的温度区间，与文石在海底沉淀的低温环境不匹配，表明观测到的钙同位素分馏特征可能是动力学效应所控制。

图2：深海橄榄岩的δ^44/40Ca与Al₂O₃（a）、CaO/SiO₂*（b）以及Sr含量（c）关系图。

      我们对该套橄榄岩样品的钙同位素组成与已报道的镁、锂、铜、锌、铬同位素数据开展了多同位素体系对比分析（图3）。结果显示，钙同位素与各同位素体系之间均无协同变化规律，这可能与各同位素体系分别记录了不同类型的海底蚀变过程有关。镁同位素反映风化过程镁丢失与黏土吸附；铬同位素受蛇纹石化阶段氧化还原反应调控；铜、锌同位素主要受铁氧化物表面吸附影响；锂同位素差异源于扩散导致的动力学分馏；而钙同位素受控于海底风化过程中文石的形成，因此，钙同位素可作为超镁铁质岩碳酸盐化过程的独特判别指标。

图3：深海橄榄岩的Ca同位素组成与Mg、Zn、Cu、Cr同位素组成对比。

      本研究成果对俯冲带钙循环过程具有重要指示意义。洋中脊广泛发育的碳酸盐化蛇纹岩可随板块俯冲进入深部俯冲带，携带轻钙同位素的文石在俯冲流体作用下发生溶解，释放轻钙同位素，进而与地幔楔橄榄岩反应形成透闪石。透闪石在弧下800–900℃条件下发生分解，轻钙同位素组分随流体运移至弧岩浆源区，为部分岛弧岩石偏轻的钙同位素特征提供合理解释。此外，富含透闪石的蛇纹岩也可发生拆离并进入俯冲通道，使轻钙同位素能够输送至深部地幔。

      相关成果近日已发表在地学领域权威学术期刊Chemical Geology。论文第一作者为安徽理工大学戚玉菡副教授，通讯作者为中国科学技术大学康晋霆副教授。合作者包括北京大学刘平平研究员、成都理工大学张兆峰教授、中国科学技术大学南晓云和段皓晨特任副研究员、黄方教授。本研究工作得到了国家自然科学基金（42303011，42273007，42330102）等多项科研项目资助。

文章信息

Qi, Y. H., Kang, J*., Nan, X. Y., Liu, P. P., Duan, H. C., Zhang, Z., Huang, F. (2026). Calcium isotope composition of oceanic mantle peridotite and its fractionation during seafloor alteration. Chemical Geology, 123554. 

https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2026.123554