（通讯员 张妍 成中梅）2019年2月，我校地学院刘勇胜教授带领的壳幔物质交换与动力学团队，在Nature Index杂志Geochimica et Cosmochimica Acta上发表了关于地幔岩浆过程中钙同位素分馏行为的重要研究成果，对利用Ca同位素约束地幔演化具有重要意义。
钙是主要造岩元素之一，在各类岩石和陨石中广泛地分布。钙有六个稳定同位素40Ca、 42Ca、43Ca、 44Ca、 46Ca和48Ca。由于最轻和最重的Ca同位素之间存在很大的相对质量差（~20%），自然界地质过程可以显著地分馏Ca同位素（高达4‰）。近年来，Ca同位素逐渐成为重要的地球化学示踪手段之一，为宇宙行星的形成、地幔演化、壳幔相互作用以及低温地表生物过程中的重大科学问题提供关键的信息。
应用Ca同位素的前提是建立高精度Ca同位素分析方法。Ca同位素分析测试可以使用DS-TIMS和 MC-ICP-MS。传统的DS-TIMS分析可以获取样品的40Ca的信号，具有干扰少和精度高等优点，但是效率低。相反，MC-ICP-MS具有操作简单和效率高等优点，可广泛地用于各种同位素的测试。然而，使用MC-ICP-MS分析Ca同位素存在以下难题：多原子干扰、40Ar+和40Ca+大离子流的溅射和基体效应。中国地质大学（武汉）壳幔物质交换与动力学团队在建立了高效的化学分离提纯方法基础上（Feng et al., 2018），利用具有高灵敏度、高分辨率的Nu plasma 1700 MC-ICP-MS，并结合独特的盲杯技术，实现了对Ca同位素的高精度准确分析（Li et al., 2018），分析精度(2sd=0.14‰)与TIMS精度相当（图1）。该成果发表在光谱分析顶尖期刊《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》上。
图1利用Nu plasma 1700 MC-ICP-MS长期分析标样的Ca同位素组成（长达一年）。
幔源岩石的δ44/40CaNIST915a显示了显著的变化：橄榄岩从0.09‰到1.38‰；洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩从0.75‰到1.33‰。这些幔源岩石的Ca同位素被用于约束地幔动力学演化过程。前人研究表明沉积碳酸盐的δ44/40Ca具有显著的变化和俯冲动力学过程会引起显著地Ca同位素分馏，因此一些研究推测幔源岩石的Ca同位素变化反映的是沉积碳酸盐地幔再循环作用。然而，最近Ionov et al. (2018)研究认为沉积碳酸盐再循环作用不能改造地幔的Ca同位素组成，幔源岩石的Ca同位素变化是由于熔体-橄榄岩反应和地幔交代造成的。存在这一争议的原因是我们不清楚正常的地幔岩浆过程中（无再循环物质参与）Ca同位素分馏行为。另外，最近Kang et al. (2017)分析了14个地球化学组成类似于全硅酸盐地球的二辉橄榄岩包体的Ca同位素组成，报道了硅酸盐地球的δ44/40Ca 为0.94 ± 0.05‰。然而，地幔橄榄岩通常广泛地受到地幔岩浆事件影响，理解岩浆过程中Ca同位素分馏行为可以证实全硅酸盐地球的δ44/40Ca估计值是否正确。
橄榄岩地体通常清晰地显示了地幔岩石之间的相互构造关系，清楚地记录了部分熔融、熔体-橄榄岩反应和岩浆分异等地幔岩浆过程 （图2），是研究上地幔岩浆过程中Ca同位素分馏理想的对象。中国地质大学（武汉）壳幔物质交换与动力学团队系统地研究了意大利西部阿尔卑斯山Balmuccia和Baldissero造山带地体中的二辉橄榄岩、方辉橄榄岩、纯橄岩、二辉石岩、单斜辉石岩和斜方辉石岩的Ca同位素组成（Chen et al., 2019）。研究结果表明，二辉橄榄岩、方辉橄榄岩、二辉石岩和单斜辉石岩的大部分Ca赋存在单斜辉石，单斜辉石控制了与这些岩石有关的岩浆过程中Ca的分布。这些橄榄岩和辉石岩具有一致的Ca同位素组成（橄榄岩:0.94±0.11‰, 2sd, n=22; 辉石岩: δ44/40Ca = 0.86 ± 0.10‰, 2sd, n=14），表明由单斜辉石控制的部分熔融、硅酸盐熔体和橄榄岩反应和岩浆分异等地幔岩浆过程不会诱导显著的Ca同位素分馏（图2）。只有纯橄岩和斜方辉石岩具有重的钙同位素组成(分别为1.11‰到1.81‰和1.13‰)，由高δ44/40Ca的橄榄石和斜方辉石控制。这些结果指示了尽管岩石圈地幔经历了复杂的部分熔融和多期次熔体-橄榄岩反应的过程，饱满的二辉橄榄岩的δ44/40Ca与原始地幔类似。据此，该研究确认了上地幔Ca同位素的可靠估计值（δ44/40Ca = 0.94 ± 0.10‰, 2sd, n=47）。因此，已报道的幔源岩石Ca同位素显著的变化不是由部分熔融、硅酸盐熔体-橄榄岩反应和岩浆分异引起的，而是其他的地质过程造成的（如扩散动力学分馏和沉积碳酸盐再循环作用）。这为将来理解Ca同位素示踪表生碳酸盐循环过程提供了坚实基础。该研究成果发表在地球化学专业期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。
图2 Balmuccia (BM)和Baldissero (BD)地体中橄榄岩和辉石岩全岩Al2O3含量与Mg# (a)和δ44/40Ca (b)相关性图。
以上GCA论文的第一作者陈春飞是我校与麦考瑞大学联合培养博士，于2018年10月至2019年01月受“国家建设高水平大学公派研究生项目”的资助在麦考瑞大学进行联合培养学习。通讯作者为汪在聪教授。
更多详情和引用本文，请参考：
Chunfei Chen, Wei Dai, Zaicong Wang*, Yongsheng Liu, Min Li, Harry Becker, Stephen F. Foley, 2019. Calcium isotope fractionation during magmatic processes in the upper mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta: 249: 121-137, https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.01.031.
Ming Li, Yv Lei, Lanping Feng, Zaicong Wang*, Nick S Belshaw, Zhaochu Hu, Yongsheng Liu, Lian Zhou, Haihong Chen, Xinna Chai, 2018. High-precision Ca isotopic measurement using a large geometry high resolution MC-ICP-MS with a dummy bucket. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 33(10): 1707-1719, 10.1039/C8JA00234G.
Lanping Feng, Lian Zhou*, Lu Yang, Wen Zhang, Qian Wang, Shuoyun Tong, Zhaochu Hu, (2018). "A rapid and simple single-stage method for Ca separation from geological and biological samples for isotopic analysis by MC-ICP-MS." Journal of Analytical Atomic Spectrometry 33(3): 413-421.
