趙新苗 賈喜良, 2 易春霞, 2 張兆峰 朱祥坤

克拉通是地球上古老的大陸，它最基本的特征是穩(wěn)定，而克拉通能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在是因?yàn)樗哂泄爬喜⑶揖藓竦膸r石圈地幔。我國(guó)華北是典型的克拉通，而越來(lái)越多的研究表明，華北克拉通巖石圈地幔發(fā)生了破壞，失去了穩(wěn)定性，其主要原因是它的巖石圈地幔的組成和性質(zhì)發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，是自顯生宙以來(lái)全球古老克拉通破壞最激烈的地區(qū)，因而是研究大陸形成與演化的最佳場(chǎng)所(Menziesetal., 1993; Griffinetal., 1998; Fanetal., 2000; Carlsonetal., 2005)。研究巖石圈地幔組成和演化的理想樣品是地幔橄欖巖捕虜體和捕虜晶，這是因?yàn)樗鼈兪莵?lái)源于巖石圈地幔最直接的樣品，能夠反映巖石圈地幔組成和演化的直接信息。學(xué)者們通過(guò)對(duì)華北克拉通地幔橄欖巖捕虜體和捕虜晶的研究發(fā)現(xiàn)，華北巖石圈地幔組成和性質(zhì)自顯生宙以來(lái)發(fā)生了根本性改變，在古生代的時(shí)候它還具有古老而且非常厚的克拉通型巖石圈地幔，然而到了新生代，它變成了比較薄而且年輕的大洋型巖石圈地幔(高山等，2009；徐義剛等，2009；張宏福，2009；鄭建平，2009；鄭永飛和吳福元，2009；朱日祥等，2011, 2012, 2020及其參考文獻(xiàn))。而大量研究表明，橄欖巖-熔體反應(yīng)是華北巖石圈地幔性質(zhì)和組成發(fā)生轉(zhuǎn)變的重要途徑，為認(rèn)清克拉通破壞本質(zhì)奠定了基礎(chǔ)(張宏福，2009；Tangetal., 2013, 2021及其參考文獻(xiàn))。但是如何認(rèn)識(shí)華北巖石圈地幔組成和屬性的轉(zhuǎn)變過(guò)程、尤其是地幔改造過(guò)程中熔體的性質(zhì)和來(lái)源，是鑒別不同克拉通破壞機(jī)制的關(guān)鍵。由于華北幔源巖石的研究已開(kāi)展了近四十年，已有的研究表明僅依靠傳統(tǒng)的研究手段未能很好地解決上述問(wèn)題，亟需創(chuàng)新思路和通過(guò)新途徑對(duì)華北克拉通破壞關(guān)鍵地區(qū)和時(shí)期的地幔捕虜體做進(jìn)一步的研究。

非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素(如Fe、Mg和Ca等)地球化學(xué)是當(dāng)前同位素地球化學(xué)研究領(lǐng)域最具活力的方向，為研究大陸巖石圈演化和地幔物質(zhì)再循環(huán)等地幔地球化學(xué)帶來(lái)了全新的視野和手段(張宏福等，2007；周新華等，2013；朱祥坤等，2013；趙新苗，2019；張宏福和陳立輝，2021)。Fe、Mg和Ca是大陸巖石圈地幔的主要組成元素，在與熔體/流體有關(guān)的許多地質(zhì)過(guò)程中會(huì)發(fā)生活化遷移和再分配，從而可能引起同位素組成的變化，而這一變化直接反映了巖石圈地幔組成的變化，因此對(duì)熔體的性質(zhì)和來(lái)源判斷更加直接。本文對(duì)目前已報(bào)道的華北克拉通不同地區(qū)、不同類(lèi)型地幔捕虜體Fe、Mg和Ca同位素組成進(jìn)行了總結(jié)，揭示華北克拉通大陸巖石圈地幔Fe、Mg和Ca同位素組成的空間差異性及其可能原因，呈現(xiàn)Fe、Mg和Ca同位素體系在示蹤大陸巖石圈地幔演化過(guò)程中的重要作用和發(fā)展前景。

1 Fe、Mg和Ca同位素體系概述

1.1 Fe同位素體系簡(jiǎn)介

鐵的原子序數(shù)是26，為第4周期、第VIII族過(guò)渡金屬元素。Fe元素在在自然界中廣泛分布，它不僅是地球和類(lèi)地行星的主要元素之一，還是地球上豐度最高的變價(jià)(Fe0、Fe2+、Fe3+)金屬元素，并且與生命活動(dòng)密切相關(guān)。因此，F(xiàn)e的地球化學(xué)循環(huán)與成礦作用、地幔深部過(guò)程、氧化還原條件過(guò)程以及環(huán)境與生命演化等重大科學(xué)問(wèn)題有密切關(guān)系。Fe在自然界中存在四個(gè)穩(wěn)定同位素：54Fe、56Fe、57Fe和58Fe，其相對(duì)豐度分別為5.85%、91.75%、2.12%、0.28%(Berglund and Wieser 2011)。近十幾年來(lái)，隨著同位素分析技術(shù)的提高，尤其是多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，F(xiàn)e同位素分析測(cè)試精度得到顯著提高，普遍可達(dá)0.05‰(2SD)或更高(Zhuetal., 2000; Weyer and Schwieters 2003; Poitrasson and Freydier 2005; Dauphasetal., 2009; Craddock and Dauphas, 2011; Heetal., 2015)。在此基礎(chǔ)上，近年來(lái)學(xué)者們開(kāi)展了大量的Fe同位素研究工作，大體上查明了地球各個(gè)主要儲(chǔ)庫(kù)的Fe同位素組成特征，隨后大大開(kāi)拓了其在地球化學(xué)、天體化學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生命科學(xué)等方面的應(yīng)用(Dauphasetal., 2017; Johnsonetal., 2020及其參考文獻(xiàn))。Fe同位素組成的分析結(jié)果通常用相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IRMM-014的千分偏差δ值表示：

δ56/54Fe(‰)=[(56Fe/54Fe)樣品/(56Fe/54Fe)標(biāo)準(zhǔn)-1]×103

δ57/54Fe(‰)=[(57Fe/54Fe)樣品/(57Fe/54Fe)標(biāo)準(zhǔn)-1]×103

自然界中的鐵同位素符合質(zhì)量分餾：δ56/54Fe≈0.678×δ57/54Fe(Zhuetal., 2000)。

1.2 Mg同位素體系簡(jiǎn)介

鎂的原子系數(shù)是12，為第3周期、第IIA族堿土金屬元素。Mg是地球中豐度僅次于氧和硅的主要造巖元素，主要富集于地幔中，參與殼幔幾乎所有的地球化學(xué)過(guò)程，同時(shí)廣泛分布于水圈和生物圈中。Mg在自然界中有3個(gè)穩(wěn)定同位素：24Mg、25Mg和26Mg，相對(duì)豐度分別為78.99%、10.00%和11.01%(Berglund and Wieser, 2011)。24Mg和26Mg之間較大的相對(duì)質(zhì)量差(～8%)使得Mg同位素在自然界中產(chǎn)生顯著的同位素分餾(Teng, 2017及其參考文獻(xiàn))。Mg同位素組成的分析結(jié)果通常用相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)DSM3(Galyetal., 2003)的千分偏差δ值表示：

δ26/24Mg(‰)=[(26Mg/24Mg)樣品/(26Mg/24Mg)標(biāo)準(zhǔn)-1]×103

δ25/24Mg(‰)=[(25Mg/24Mg)樣品/(25Mg/24Mg)標(biāo)準(zhǔn)-1]×103

1.3 Ca同位素體系簡(jiǎn)介

鈣的原子系數(shù)是20，為第四周期、第IIA族堿土金屬元素。Ca廣泛分布在地球的各個(gè)圈層中，它不僅是主要的造巖元素之一，也是生物必須的元素之一。自然界Ca有40Ca、42Ca、43Ca、44Ca、46Ca和48Ca六種同位素，其相對(duì)豐度為96.941%、0.647%、0.135%、2.086%、0.004%、0.187%(Coplen, 2011)。Ca具有最大的相對(duì)質(zhì)量差(48Ca和40Ca相差20%)，僅次于氫和氦元素，這一大的相對(duì)質(zhì)量差使得很多地質(zhì)過(guò)程中Ca同位素能夠發(fā)生顯著的質(zhì)量分餾。在自然界中已發(fā)現(xiàn)δ44/40Ca有～6‰的變化，這樣的特性決定了Ca同位素體系有助于了解地球和各圈層的演化與相互作用，也有助于對(duì)太陽(yáng)系和行星演化的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也有可能對(duì)示蹤深部碳循環(huán)、重建古氣候變化、反演古環(huán)境及其限定礦床成因等重大理論和應(yīng)用問(wèn)題提供新的認(rèn)識(shí)(DePaolo, 2004)。Ca同位素組成的分析結(jié)果通常用相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST SRM915a的千分偏差δ值表示：δ44/40Ca(‰)=[(44Ca/40Ca)樣品/(44Ca/40Ca)標(biāo)準(zhǔn)-1] ×103。

2 華北地幔捕擄體Fe-Mg-Ca同位素組成

2.1 華北地幔捕虜體的Fe同位素組成特征

鐵不僅是巖石圈地幔直接樣品——橄欖巖捕虜體的主要組成元素，還是地幔最主要的變價(jià)(Fe2+和Fe3+)元素，在與熔體/流體有關(guān)的許多地質(zhì)過(guò)程中會(huì)發(fā)生活化遷移和再分配。因此，對(duì)地幔捕虜Fe同位素組成的研究可以為深入認(rèn)識(shí)大陸巖石圈地幔的演化過(guò)程，尤其是地幔改造過(guò)程中熔體的性質(zhì)和來(lái)源帶來(lái)新的切入點(diǎn)。已有的研究結(jié)果表明，地幔橄欖巖和輝石巖捕虜體及其中單礦物的Fe同位素組成具有非常大的變化范圍(圖1、圖2；Johnsonetal., 2020及其參考文獻(xiàn))，尤其是我國(guó)華北地區(qū)地幔捕虜體的Fe同位素組成有～2‰的變化(δ57/54Fe=-1.04‰～1.00‰；圖1、圖2；Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a, b)。中奧陶世金伯利巖的噴發(fā)是華北克拉通化后首次出現(xiàn)的巖漿活動(dòng)。因此，這些金伯利巖及其攜帶的橄欖巖捕虜體可以很好的限定克拉通破壞前的巖石圈狀態(tài)。筆者對(duì)華北遼寧復(fù)縣和山東蒙陰地區(qū)石榴子石二輝橄欖巖和尖晶石二輝橄欖巖開(kāi)展了Fe同位素研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些地幔橄欖巖Fe同位素組成變化范圍較大(δ57/54Fe=-0.09‰～0.55‰，平均值為0.17±0.12‰，2SE；n=12；趙新苗等，未發(fā)表數(shù)據(jù))，并且其Fe同位素組成隨其燒失量、CaO含量及其Mg#[=100×Mg2+/(Mg2++Fe2+)]的升高而降低，說(shuō)明蛇紋石化和碳酸鹽化過(guò)程會(huì)引起橄欖巖Fe同位素組成的改變，無(wú)法準(zhǔn)確反映原巖的Fe同位素組成信息。為此，筆者選擇了我國(guó)華南地區(qū)古生代大洪山金伯利巖中攜帶的新鮮的，沒(méi)有遭受蝕變的石榴子石二輝橄欖巖進(jìn)行了Fe同位素研究，結(jié)果表明大洪山地區(qū)的石榴子石二輝橄欖巖Fe同位素組成比較均一(δ57/54Fe=0.02‰～0.03‰；Zhaoetal., 2012)，其平均值(δ57/54Fe=0.03±0.01‰，2SE；n=2)與球粒隕石的平均值接近(δ57/54Fe=-0.01±0.01‰，2SE；n=146；Johnsonetal., 2020)，并且與Weyer and Ionov(2007)根據(jù)橄欖巖Mg#=89.5估算的飽滿(mǎn)的上地幔(Fertile upper mantle)的Fe同位素組成接近(δ57/54Fe=0.03±0.03‰)。中生代是華北克拉通巖石圈減薄的關(guān)鍵時(shí)期。所以，華北中生代玄武質(zhì)巖石攜帶的地幔橄欖巖捕虜體是探討華北克拉通型巖石圈之所以能夠被破壞和減薄的最直接的途徑。筆者對(duì)華北大西莊地區(qū)白堊紀(jì)玄武巖石攜帶的地幔橄欖巖及其單礦物進(jìn)行了詳細(xì)的Fe同位素研究，發(fā)現(xiàn)中生代玄武巖攜帶的地幔橄欖巖Fe同位素組成變化范圍比較小(δ57/54Fe=-0.36‰～0.12‰；趙新苗等，未發(fā)表數(shù)據(jù))，其平均值(δ57/54Fe=0.00±0.07‰，2SE；n=12)與球粒隕石的平均值(δ57/54Fe=-0.01±0.01‰，2SE；n=146；Johnsonetal., 2020)和飽滿(mǎn)的上地幔Fe同位素組成接近(δ57/54Fe=0.03±0.03‰，2SD; Weyer and Ionov, 2007)。而華北克拉通典型地區(qū)如北緣(漢諾壩、三義堂)、內(nèi)部(陽(yáng)原、鶴壁)和東部郯廬斷裂帶內(nèi)部(昌樂(lè))的新生代玄武巖攜帶的地幔捕虜體及其單礦物具有很大的Fe同位素變化范圍(δ57/54Fe=-1.04‰～ 1.00‰；圖1、圖2；Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a, b)，不同類(lèi)型地幔捕虜體及其單礦物的Fe同位素組成不同(圖1、圖2；Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a, b)。例如華北北緣漢諾壩、三義堂、陽(yáng)原、南北重力梯度帶鶴壁地區(qū)以及郯廬斷裂帶昌樂(lè)地區(qū)的鎂橄欖巖(Mg#≥90)的Fe同位素組成變化范圍(δ57/54Fe=-0.28‰～0.19‰；平均值δ57/54Fe=-0.01± 0.05‰，2SE；n=28)與華北中生代玄武質(zhì)巖石攜帶的地幔橄欖巖捕虜體(δ57/54Fe=-0.36‰～0.12‰；趙新苗等，未發(fā)表數(shù)據(jù))、華南地區(qū)鎂橄欖巖(δ57/54Fe=-0.29‰～0.28‰；平均值δ57/54Fe=0.02±0.04‰，2SE；n=30；Huangetal., 2011; Zhaoetal., 2021)以及世界其它地區(qū)的鎂橄欖巖的Fe同位素組成接近(δ57/54Fe=-0.22‰～0.22‰；平均值δ57/54Fe=0.01±0.02‰，2SE；n=79；圖1)。同時(shí)這類(lèi)橄欖巖的不同共生礦物之間存在Fe同位素分餾，并且大多數(shù)高溫礦物之間具有δ57/54Fe橄欖石<δ57/54Fe輝石<δ57/54Fe尖晶石的規(guī)律(圖2；Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a)。與華北鎂橄欖巖不同，華北陽(yáng)原和郯廬斷裂帶昌樂(lè)地區(qū)的富Fe橄欖巖(Mg#<89)的Fe同位素組成(δ57/54Fe=-1.04‰～-0.33‰；圖1)顯著低于華北地區(qū)鎂橄欖巖的Fe同位素組成，尤其是在華北巖石圈減薄強(qiáng)烈的地區(qū)(如郯廬斷裂帶內(nèi)昌樂(lè))地幔橄欖巖捕虜體的Fe同位素組成存在～1.3‰的巨大變化，并具有明顯低于全球其他地區(qū)輕的Fe同位素組成(δ57/54Fe低至-1.04‰；圖1)。這些富Fe橄欖巖組成礦物間Fe同位素分餾較大(圖2)，礦物間Fe同位素組成沒(méi)有完全分布在平衡分餾線上(Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a)，說(shuō)明這些單礦物間的Fe同位素組成尚沒(méi)有達(dá)到平衡。與鎂橄欖巖和富Fe橄欖巖不同，華北昌樂(lè)地區(qū)的異剝橄欖巖(Mg#<88)明顯富集重Fe同位素(δ57/54Fe=0.17‰～0.26‰，平均值為0.21±0.09‰，2SE；n=2；圖2)，其平均值比世界其它地區(qū)的異剝橄欖巖Fe同位素平均值偏重(δ57/54Fe=0.05‰～0.17‰，平均值為0.09±0.04‰，2SE；n=5；圖2)，而與華北新生代玄武巖的Fe同位素平均值接近(δ57/54Fe=0.20±0.02‰，2SE；n=9；Zhaoetal., 2012)。同時(shí)異剝橄欖巖的共生礦物之間δ57/54Fe橄欖石<δ57/54Fe單斜輝石，基本處于理論計(jì)算的Fe同位素平衡分餾范圍內(nèi)(Zhaoetal., 2012)。

圖1 華北地幔橄欖巖和輝石巖捕虜體的Fe同位素組成地幔捕虜體數(shù)據(jù)來(lái)源：華北地幔橄欖巖、異剝橄欖巖及輝石巖Fe同位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自Zhao et al.(2010, 2012, 2015, 2017a, b)；華南地幔橄欖巖Fe同位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自Huang et al.(2011)和Zhao et al.(2021)；其他地區(qū)地幔橄欖巖、異剝橄欖巖和輝石巖數(shù)據(jù)來(lái)自Beard and Johnson(2004)，Williams et al.(2005)，Schoenberg and von Blanckenburg(2006)，Weyer and Ionov(2007)，Poitrasson et al.(2013)，Williams and Bizimis(2014)，Macris et al.(2015)和An et al.(2017). 黑色虛線及其棕色條帶代表球粒隕石平均值(δ57/54Fe=-0.01±0.01‰，2SE；n=146；Johnson et al., 2020). 圖2數(shù)據(jù)來(lái)源同此圖Fig.1 Fe isotopic compositions of mantle peridotite and pyroxene xenoliths from the North China Craton

圖2 華北地幔橄欖巖和輝石巖中共存單礦物的Fe同位素組成變化Fig.2 Fe isotopic compositions of coexisting minerals in mantle peridotites and pyroxene xenoliths from the North China Craton

輝石巖是巖石圈地幔僅次于地幔橄欖巖的重要組成部分，它包含著豐富的巖石圈地幔演化信息，是認(rèn)識(shí)地幔不均一性和玄武巖源區(qū)組成的關(guān)鍵對(duì)象。筆者對(duì)華北漢諾壩地區(qū)不同類(lèi)型輝石巖捕虜體進(jìn)行了詳細(xì)的Fe同位素地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)綠色型Cr-透輝石輝石巖和黑色型Al-普通輝石二輝巖的Fe同位素組成變化范圍較小(δ57/54Fe=-0.01‰～0.09‰)，其平均值(δ57/54Fe=0.03±0.04‰，2SE；n=5；圖1；Zhaoetal., 2017b)與估算的飽滿(mǎn)上地幔的Fe同位素組成在誤差范圍內(nèi)一致(δ57/54Fe=0.03±0.03‰，2SD; Weyer and Ionov, 2007)。與全巖相似，Cr-透輝石輝石巖和黑色型Al-普通輝石二輝巖中單礦物的Fe同位素組成變化范圍也比較小，礦物間的δ57/54Fe橄欖石<δ57/54Fe輝石<δ57/54Fe尖晶石(圖2；Zhaoetal., 2017b)，不同礦物之間Fe同位素分餾均達(dá)到平衡。而漢諾壩石榴子石輝石巖和金云母單斜輝石巖具有比綠色型Cr-透輝石輝石巖和黑色型Al-普通輝石二輝巖顯著偏重的Fe同位素組成(δ57/54Fe=0.12‰～0.30‰；圖1；Zhaoetal., 2017b)，其平均值(δ57/54Fe=0.20±0.04‰, 2SE；n=7 ；圖1；Zhaoetal., 2017b)，與華北新生代玄武巖的Fe同位素平均值接近(δ57/54Fe=0.20±0.02‰，2SE；n=9；Zhaoetal., 2012)。這些石榴子石輝石巖中單礦物的Fe同位素組成具有較大的變化范圍，礦物間的δ57/54Fe橄欖石<δ57/54Fe輝石<δ57/54Fe尖晶石<δ57/54Fe石榴子石(圖2；Zhaoetal., 2017b)。值得注意的是，漢諾壩地區(qū)的金云母單斜輝石巖具有非常重的Fe同位素組成(δ57/54Fe=0.99‰)，是目前發(fā)表的幔源巖石中具有最重Fe同位素組成的樣品(圖1；Zhaoetal., 2017b)。與全巖相似，該樣品的組成單礦物單斜輝石和金云母也具有非常重的Fe同位素組成(單斜輝石的δ57/54Fe=1.00‰，金云母的δ57/54Fe=0.95‰；圖2；Zhaoetal., 2017b)。以上研究表明，華北地區(qū)不同類(lèi)型輝石巖捕虜體也具有明顯不均一的Fe同位素組成，礦物間存在明顯的Fe同位素分餾。

圖3 華北地幔橄欖巖和輝石巖捕虜體Mg同位素組成地幔捕虜體數(shù)據(jù)來(lái)源：華北地幔橄欖巖、異剝橄欖巖及輝石巖Mg同位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自Yang et al.(2009)，Teng et al.(2010)，Liu et al.(2011)，Xiao et al.(2013)，Hu et al.(2016)，Zhao et al.(2017b)和Hu et al.(2019)；華南地幔橄欖巖Mg位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自Huang et al.(2011)；其他地區(qū)地幔橄欖巖和輝石巖數(shù)據(jù)來(lái)自Handler et al.(2009)，Bourdon et al.(2010)，Teng et al.(2010)，Pogge von Strandmann et al.(2011)，Lai et al.(2015)，An et al.(2017)和Stracke et al.(2018). 黑色虛線及其棕色條帶代表硅酸鹽地球平均值(δ26/24Mg=-0.25±0.07‰，2SD；n=139；Teng et al., 2010). 圖4數(shù)據(jù)來(lái)源同此圖Fig.3 Mg isotopic compositions of mantle peridotite and pyroxene xenoliths from the North China Craton

圖4 華北地幔橄欖巖和輝石巖中共存單礦物的Mg同位素組成變化Fig.4 Mg isotopic composition of coexisting minerals in mantle peridotites and pyroxene xenoliths from the North China Craton

2.2 華北地幔捕虜體的Mg同位素特征

與鐵元素相同，Mg也是地幔的主要組成元素，地球中絕大多數(shù)(>99%)Mg存在地幔中。因此，地幔的平均Mg同位素組成基本上代表了地球的Mg同位素組成。前人研究結(jié)果表明，來(lái)自世界不同地區(qū)的地幔橄欖巖捕虜體及其單礦物的Mg同位素組成變化范圍較小(δ26/24Mg=-0.44‰～0.00‰；圖3、圖4)，其平均值(δ26/24Mg=-0.24±0.03‰，2SE；n=172)與球粒隕石平均值在誤差范圍內(nèi)相同(δ26/24Mg=-0.28±0.01‰，2SE；n=38；Tengetal., 2010)。然而值得注意的是我國(guó)華北克拉通新生代玄武巖攜帶的不同類(lèi)型地幔橄欖巖和輝石巖捕虜體及其單礦物的Mg同位素組成是明顯不均一的(δ26/24Mg=-1.53‰～-0.05‰；圖3、圖4；Yangetal., 2009; Tengetal., 2010; Liuetal., 2011; Xiaoetal., 2013; Huetal., 2016, 2019; Zhaoetal., 2017b; Huetal., 2019)。例如華北地區(qū)(漢諾壩、三義堂、寬甸以及昌樂(lè)地區(qū)的)鎂橄欖巖具有比較小的Mg同位素組成變化范圍(δ26/24Mg=-0.39‰～-0.19‰；圖3；Yangetal., 2009; Tengetal., 2010; Liuetal., 2011; Xiaoetal., 2013; Huetal., 2016)，與華南地區(qū)二輝橄欖巖(δ26/24Mg=-0.38‰～-0.20‰；Huangetal., 2011)以及世界其他地區(qū)的二輝橄欖巖Mg 同位素組成在誤差范圍類(lèi)相似(δ26/24Mg=-0.34‰～-0.13‰；Bourdonetal., 2010; Tengetal., 2010; Pogge von Strandmannetal., 2011; Laietal., 2015; Anetal., 2017)，并且這些華北鎂橄欖巖的Mg同位素組成平均值(δ26/24Mg=-0.26±0.01‰，2SE；n=51)與硅酸鹽地球Mg同位素組成相同(δ26/24Mg=-0.25±0.07‰，2SD；n=139；Tengetal., 2010)。同時(shí)這些華北鎂橄欖巖中共生的斜方輝石(δ26/24Mg=-0.28‰～-0.17‰)和橄欖石具有相似的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.33‰～-0.18‰)，而單斜輝石具有比共生的橄欖石系統(tǒng)更重的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.29‰～-0.08‰)，石榴子石具有比其它硅酸巖礦物更輕的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.53‰～-0.52‰；圖4)。與共生的硅酸鹽礦物相比，尖晶石具有顯著更重的同位素組成，并且與溫度具有很好的相關(guān)性(δ26/24Mg=0.01‰～0.28‰；圖4；Yangetal., 2009; Tengetal., 2010; Liuetal., 2011; Xiaoetal., 2013; Huetal., 2016)。與華北鎂橄欖巖不同，華北昌樂(lè)地區(qū)的富Fe橄欖巖具有比鎂橄欖巖系統(tǒng)偏重的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.33‰～-0.05‰，平均值δ26/24Mg=-0.18±0.05‰，2SE；n=10；圖3；Yangetal., 2009; Xiaoetal., 2013)，這些富Fe橄欖巖礦物之間Mg同位素分餾較大(圖4)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這些礦物之間Mg同位素平衡分餾理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值，表明這些單礦物間的Mg同位素分餾沒(méi)有達(dá)到平衡(Yangetal., 2009; Xiaoetal., 2013)。Yangetal.(2009)和Xiaoetal.(2013)研究還發(fā)現(xiàn)華北昌樂(lè)地區(qū)的異剝橄欖巖僅有3個(gè)異剝橄欖巖的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.19‰～0.09‰)與世界其他地區(qū)異剝橄欖巖的Mg同位素組成相似(δ26/24Mg=-0.28‰～0.00‰；圖3)，其余12個(gè)異剝橄欖巖的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.44‰～-0.26‰；圖3)整體比硅酸鹽地球Mg同位素組成偏輕(δ26/24Mg=-0.25±0.07‰，2SD；n=139；Tengetal., 2010)，但是其共生礦物之間Mg同位素分餾落在了平衡Mg同位素理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值范圍內(nèi)，表明這些單礦物間的Mg同位素分餾達(dá)到平衡(Yangetal., 2009; Xiaoetal., 2013)。

Huetal.(2016)、Zhaoetal.(2017b)以及Huetal.(2019)研究發(fā)現(xiàn)華北漢諾壩地區(qū)的輝石巖及其單礦物的Mg同位素組成非常不均一(δ26/24Mg=-1.54‰～0.06‰；圖3、圖4)，其中不含石榴子石的Cr-透輝石輝石巖和黑色型Al-普通輝石二輝巖的Mg同位素組成變化范圍比較小(δ26/24Mg=-0.37‰～-0.17‰；Liuetal., 2011; Huetal., 2016, 2019; Zhaoetal., 2017b; 圖3)，其平均值(δ26/24Mg=-0.26‰± 0.03‰，2SE；n=11)與球粒隕石(δ26/24Mg=-0.28±0.01‰，2SE；n=38；Tengetal., 2010)以及大洋玄武巖具有相似的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.25 ±0.01‰，2SE；n=110；Tengetal., 2010)。與全巖相似，這兩類(lèi)輝石巖礦物間的Mg同位素組成變化范圍也比較小，不同礦物之間Mg同位素分餾均達(dá)到平衡(圖4；Liuetal., 2011; Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017b)。與之相比，華北含石榴子石的輝石巖的Mg同位素組成范圍變化較大(δ26/24Mg=-0.48‰～-0.10‰；圖3；Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017b)，其平均值(δ26/24Mg=-0.30±0.05‰，2SE；n=16)比硅酸鹽地球Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.25±0.07‰，2SD；n=139；Tengetal., 2010)稍微偏輕。相對(duì)于全巖，漢諾壩含石榴子石輝石巖中的單礦物的Mg同位素組成顯示了更高程度的不均一性(圖 4；Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017b)，其中橄欖石(平均值δ26/24Mg=-0.20±0.06‰，2SE；n=25)、斜方輝石(平均值δ26/24Mg=-0.20±0.06‰，2SE；n=19)和單斜輝石(δ26/24Mg=-0.20±0.05‰，2SE；n=24)之間Mg同位素組成接近，與世界其他地區(qū)的輝石巖中單礦物的Mg同位素組成在誤差范圍內(nèi)一致。另一方面，石榴子石具有較共存的橄欖石和輝石明顯偏輕且高度變化的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.76‰～-0.37‰；圖4；Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017b)。值得注意的是，華北地區(qū)單斜輝石巖及其單礦物具有顯著低于硅酸巖地球的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-1.53‰～-1.20‰；圖3、圖4；Huetal., 2016, 2019; Zhaoetal., 2017b)，這是目前已報(bào)道幔源捕虜體的最低Mg同位素值。

圖5 華北地幔橄欖巖和輝石巖捕虜體Ca同位素組成地幔捕虜體數(shù)據(jù)來(lái)源：華北地幔橄欖巖及輝石巖Ca同位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自Kang et al.(2016)，Zhao et al.(2017a)，Chen et al.(2018)和Dai et al.(2020)；華南地幔橄欖巖Ca同位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自Kang et al.(2016，2020)；其他地區(qū)地幔橄欖巖和輝石巖數(shù)據(jù)來(lái)自Kang et al.(2017，2019)，Ionov et al.(2019)，Chen et al.(2019)和Zhu et al.(2021). 黑色虛線及其棕色條帶代表硅酸鹽地球平均值(δ44/40Ca=0.94±0.05‰，2SD；n=14；Kang et al., 2017). 圖6數(shù)據(jù)來(lái)源同此圖Fig.5 Ca isotopic composition of mantle peridotite and pyroxene xenoliths from the North China Craton

圖6 華北地幔橄欖巖和輝石巖中共存單礦物的Ca同位素組成Fig.6 Ca isotopic compositions of coexisting minerals in mantle peridotites and pyroxene xenoliths from the North China Craton

2.3 華北地幔捕虜體的Ca同位素特征

鈣是地幔和地殼的主要組成元素之一。由于沉積碳酸鹽(平均值δ44/40Ca≈0.6‰；Fantle and Tipper, 2014及其參考文獻(xiàn))與硅酸鹽地球的Ca同位素組成(δ44/40Ca=0.94±0.05‰; 2SD; Kangetal., 2017; Chenetal., 2019)存在顯著差異，使得再循環(huán)碳酸鹽有可能顯著地改變地幔的Ca同位素組成，因此Ca同位素被認(rèn)為是示蹤地幔交代和深部碳循環(huán)的重要手段之一。目前，研究者對(duì)華北克拉通地區(qū)的地幔捕虜體進(jìn)行了Ca同位素分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)華北克拉通巖石圈地幔Ca同位素組成不均一(δ44/40Ca=-0.08‰～1.20‰；圖5、圖6；Kangetal., 2016; Zhaoetal., 2017b; Chenetal., 2018; Daietal., 2020)。其中，華北漢諾壩、繁峙和陽(yáng)原地區(qū)的鎂橄欖巖和輝石巖的Ca同位素組成(δ44/40Ca=0.76‰～1.20‰；平均值δ44/40Ca=0.92±0.03‰，2SE；n=39)與華南地區(qū)鎂橄欖巖(δ44/40Ca=0.85‰～1.14‰；平均值δ44/40Ca=0.98±0.04‰，2SE；n=14；Kangetal., 2016, 2020)以及世界其他地區(qū)的鎂橄欖巖和輝石巖的Ca同位素組成接近(δ44/40Ca=0.72‰～1.18‰；平均值δ44/40Ca=0.91±0.02‰，2SE；n=114；圖5；Kangetal., 2017, 2019; Chenetal., 2019; Ionovetal., 2019; Zhuetal., 2021)。但是華北陽(yáng)原地區(qū)的富Fe橄欖巖具有比華北、華南以及世界其他地區(qū)的鎂橄欖巖和輝石巖顯著偏輕且不均一的Ca 同位素組成(δ44/40Ca=-0.08‰～ 0.70‰；圖5；Zhaoetal., 2017b)。斜方輝石和單斜輝石是上地幔的兩個(gè)主要含Ca礦物，它們的Ca同位素組成對(duì)確定上地幔的Ca同位素組成和演化至關(guān)重要。華北地區(qū)鎂橄欖巖和輝石巖中的單斜輝石(δ44/40Ca=0.71‰～1.17‰；圖6)與其全巖具有相似的Ca同位素組成(δ44/40Ca=0.76‰～1.20‰)，而斜方輝石具有比共生的單斜輝石系統(tǒng)偏重的Ca同位素組成和更大的變化范圍(δ44/40Ca=0.82‰～1.77‰；圖6；Kangetal., 2016; Zhaoetal., 2017b; Chenetal., 2018; Daietal., 2020)，與華南地區(qū)(單斜輝石δ44/40Ca=0.83‰～1.14‰；斜方輝石δ44/40Ca=0.98‰～2.16‰；圖6；Kangetal., 2016, 2020)以及世界其他地區(qū)的鎂橄欖巖中單礦物的Ca同位素組成(單斜輝石δ44/40Ca=0.98‰～1.05‰；斜方輝石δ44/40Ca=1.40‰～ 1.73‰；圖6；Huangetal., 2010; Zhuetal., 2021)在誤差范圍內(nèi)一致。與全巖相同，華北陽(yáng)原地區(qū)的富Fe橄欖巖中單斜輝石和斜方輝石的Ca同位素組成(單斜輝石δ44/40Ca=-0.09‰～0.69‰；斜方輝石δ44/40Ca=-0.24‰～0.70‰；圖6；Zhaoetal., 2017b)明顯比華北、華南以及世界其他地區(qū)的鎂橄欖巖和輝石巖中的單礦物Ca同位素組成偏輕，其中樣品YY09-24中的斜方輝石δ44/40Ca低至-0.24‰，這是目前發(fā)現(xiàn)的地幔中最輕的Ca同位素組分。

3 華北地幔捕擄體Fe-Mg-Ca同位素組成變化成因

通過(guò)對(duì)比分析上述華北不同地區(qū)地幔捕虜體及其單礦物的Fe-Mg-Ca同位素組成特征，我們不難發(fā)現(xiàn)華北巖石圈地幔具有高度不均一的Fe-Mg-Ca同位素組成(Fe同位素有～2‰的變化，圖1、圖2；Mg同位素有～1.5‰的變化，圖3、圖4；Ca同位素有～2‰的變化，圖5、圖6)。是什么過(guò)程導(dǎo)致華北巖石圈地幔的Fe-Mg-Ca同位素組成不均一？可能的原因包括：(1)礦物結(jié)構(gòu)控制的礦物間同位素平衡分餾(Huangetal., 2010; Fengetal., 2014; Macrisetal., 2015; Youngetal., 2015; Wangetal., 2017; Antonellietal., 2019)；(2)地幔部分熔融過(guò)程(Weyer and Ionov, 2007; Williams and Bizimis, 2014; Kangetal., 2017; Zhuetal., 2018)；(3)橄欖巖-熔體反應(yīng)(Weyer and Ionov, 2007; Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a, b; Poitrassonetal., 2013; Xiaoetal., 2013; Kangetal., 2016; Kangetal., 2020)；(4)化學(xué)擴(kuò)散引起的動(dòng)力學(xué)分餾(Weyer and Ionov, 2007; Tengetal., 2011; Poitrassonetal., 2013; Kangetal., 2016; Dauphasetal., 2017; Antonelli and Simon, 2020)。下面我們將逐一總結(jié)和討論導(dǎo)致華北巖石圈地幔的Fe-Mg-Ca同位素組成不均一的可能因素。

理論上，穩(wěn)定同位素平衡分餾程度的大小取決于該元素在不同礦物相中化學(xué)鍵的鍵能強(qiáng)度，而鍵強(qiáng)通常受到鍵長(zhǎng)和配位數(shù)(CN)的影響。通常鍵長(zhǎng)越短、配位數(shù)越小、鍵能越強(qiáng)，而重的同位素會(huì)優(yōu)先富集在鍵能最強(qiáng)的位置(Bigeleisen and Mayer, 1947; Urey, 1947; Schauble, 2004; Youngetal., 2015)。由于橄欖石和斜方輝石中Fe2+均為6次配位，它們之間的Fe同位素分餾程度較小；而單斜輝石礦物結(jié)構(gòu)中既有Fe2+，又有少量Fe3+，因此單斜輝石的Fe-O鍵能相對(duì)較強(qiáng)，理論上比橄欖石和斜方輝石略為富集Fe的重同位素；尖晶石中Fe2+以4次配位，F(xiàn)e3+以6次配位充填于八面體空隙中，而Fe2+在石榴子石中的配位數(shù)為8，因此尖晶石和石榴子分別具有顯著重和輕的Fe同位素組成。Macrisetal.(2015)采用離子半徑模型模擬計(jì)算相同溫度下地幔各個(gè)礦物間Fe同位素平衡分餾，計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步支持δ57/54Fe尖晶石>δ57/54Fe單斜輝石>δ57/54Fe斜方輝石≥δ57/54Fe橄欖石>δ57/54Fe石榴子石。由于Mg2+和Fe2+的離子半徑相似，它們?cè)诘蒯５V物中通常占據(jù)相同的晶格位置，所以理論上Fe和Mg同位素的分餾方向是一致的。Huangetal.(2013)利用第一性原理計(jì)算了地幔各個(gè)礦物間Mg同位素平衡分餾表現(xiàn)為δ26/24Mg尖晶石>δ26/24Mg單斜輝石>δ26/24Mg斜方輝石≥δ26/24Mg橄欖石>δ26/24Mg石榴子石。單斜輝石和石榴子石中的Ca均是8次配位，但石榴子石中的Ca-O鍵長(zhǎng)(2.27～2.43?)短于單斜輝石中Ca-O鍵長(zhǎng)(2.45～2.50?；Magnaetal., 2015)，因此理論上石榴子石相對(duì)單斜輝石富集重的Ca同位素。而斜方輝石和橄欖石中的中的Ca均是6次配位，重的Ca同位素會(huì)優(yōu)先富集在斜方輝石和橄欖石中。Fengetal.(2014)、Wangetal.(2017)和Huangetal.(2019)利用第一性原理計(jì)算了地幔各個(gè)礦物間Ca同位素平衡分餾表現(xiàn)為δ44/40Ca石榴子石>δ44/40Ca橄欖石≥δ44/40Ca斜方輝石>δ44/40Ca單斜輝石，這些理論計(jì)算工作對(duì)地幔深部過(guò)程如部分熔融、結(jié)晶分異和地幔熔體交代過(guò)程中Fe-Mg-Ca同位素分餾行為提供了重要的理論參考。

巖石圈地幔通常被認(rèn)為是原始地幔經(jīng)歷不同熔融程度抽取玄武質(zhì)巖漿之后的殘留物，而后期可能受到了熔/流體的復(fù)雜改造，使得大陸巖石圈的地球化學(xué)組成高度不均一(Zhang, 2005)。學(xué)者們已經(jīng)對(duì)Fe-Mg-Ca同位素在地幔部分熔融過(guò)程中的分餾進(jìn)行了大量研究，不同的同位素分餾尺度不一。例如已有的研究顯示，洋中脊玄武巖(MORB)、洋島玄武巖(OIB)和島弧玄武巖(IAB)的Fe同位素組成平均值(δ57/54Fe=0.13±0.1‰，2SE；n=369；Johnsonetal., 2020)明顯重于地幔橄欖巖和輝石巖捕虜體的Fe同位素組成平均值(δ57/54Fe=0.03±0.03‰，2SE；n=233；Johnsonetal., 2020及其參考文獻(xiàn))，表明地幔部分熔融過(guò)程中Fe同位素發(fā)生了分餾。這一分餾是由于Fe是典型的變價(jià)元素(Fe2+、Fe3+)，在地幔橄欖巖部分熔融過(guò)程中，F(xiàn)e3+比Fe2+更不相容，F(xiàn)e3+優(yōu)先進(jìn)入熔體相，使得熔體相富集Fe3+，難熔的殘留相富集Fe2+，而Fe3+的化學(xué)鍵較強(qiáng)，傾向于富集重同位素(Dauphasetal., 2017及其參考文獻(xiàn))。但是由于在地幔部分熔融過(guò)程中，體系中絕大多數(shù)Fe還保留在地幔殘留相中，相對(duì)于玄武質(zhì)熔體，部分熔融作用對(duì)地幔源區(qū)殘留相的Fe同位素影響有限(Fe同位素分餾不到0.15‰；Weyer and Ionov, 2007; Dauphasetal., 2009; Poitrassonetal., 2013)。與Fe同位素不同，前人研究結(jié)果表明，來(lái)自世界不同地區(qū)的地幔橄欖巖捕虜體及其單礦物的Mg同位素組成變化范圍較小(δ26/24Mg=-0.44‰～0.00‰；圖3、圖4)，其平均值(δ26/24Mg=-0.24±0.03‰，2SE；n=172)與球粒隕石(δ26/24Mg=-0.28±0.01‰，2SE；n=38；Tengetal., 2010)以及大洋玄武巖具有相似的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-0.25±0.01‰，2SE；n=110；Tengetal., 2010)，表明地幔部分熔融及巖漿結(jié)晶分異過(guò)程沒(méi)有發(fā)生顯著的Mg同位素分餾。Kangetal.(2017)研究發(fā)現(xiàn)，中高程度虧損(>20%)的地幔橄欖巖的Ca同位素組成較硅酸鹽地球的值略微偏重0.1‰，并且大洋玄武巖的Ca同位素較硅酸鹽地球的值略微偏輕 ～0.15‰(Zhuetal., 2018)。部分熔融過(guò)程模擬結(jié)果也表明，在沒(méi)有石榴子石參與的情況下，部分熔融過(guò)程不會(huì)造成明顯可觀測(cè)的Ca同位素組分變化(<0.1‰)；而在石榴子石參與的情況下，會(huì)使得Ca同位素分餾值達(dá)到0.15‰(Zhangetal., 2018; Chenetal., 2019; Lietal., 2022)。而華北地幔捕虜體Fe同位素分餾達(dá)到～2‰(圖1、圖2)，Mg同位素分餾～1.5‰(圖3、圖4)，Ca同位素分餾～2‰(圖5、圖6)，因此很難通過(guò)地幔部分熔融過(guò)程來(lái)解釋華北地幔捕擄體Fe-Mg-Ca同位素組成變化。

圖7 華北陽(yáng)原地區(qū)富鐵橄欖巖中含交代礦物金云母(Phl)和角閃石(Amp)及交代熔蝕結(jié)構(gòu)Ol-橄欖石；Opx-斜方輝石；Cpx-單斜輝石；Sp-尖晶石 ；Spong rim-篩狀邊Fig.7 Fe-rich lherzolites bearing-phlogopite (Phl) and -amphibole (Amp) (plane-polarized light) with resorbed orthopyroxene relics inside newly formed sieve-textured clinopyroxene

地幔交代作用(橄欖巖-熔體反應(yīng))不僅是造成巖石圈地幔組成不均一性的重要方式，而且是造成巖石圈地幔組成轉(zhuǎn)變的重要原因(Zhang, 2005)。根據(jù)目前累積的數(shù)據(jù)來(lái)看，華北地幔捕虜體Fe-Mg-Ca同位素組成變化與地幔交代作用密不可分。例如華北漢諾壩、三義堂、陽(yáng)原、繁峙、鶴壁以及昌樂(lè)地區(qū)沒(méi)有受到地幔熔體交代的鎂橄欖巖，具有一致的Mg#(～90)，單斜輝石具有低的稀土元素總量和虧損或者平坦的稀土元素配分型式，并具有虧損的Sr-Nd同位素組成，可能代表了低程度部分熔融的殘留巖石圈地幔或類(lèi)似于原始地幔橄欖巖中的新增生的巖石圈地幔，而沒(méi)有受到后期熔/流體的交代作用影響，其Fe-Mg-Ca同位素組成比較均一(趙新苗，2019及其參考文獻(xiàn))，平均值與硅酸鹽地球的Fe-Mg-Ca同位素組成在誤差范圍內(nèi)一致(δ57/54Fe=0.04±0.04‰；δ26/24Mg=-0.25±0.07‰；δ44/40Ca=0.94±0.05‰；Weyer and Ionov, 2007; Tengetal., 2010; Kangetal., 2017)。同時(shí)這類(lèi)橄欖巖的不同共生礦物之間Fe-Mg-Ca同位素分餾達(dá)到了平衡，主要受晶體結(jié)構(gòu)(配位數(shù))控制。而經(jīng)受不同類(lèi)型地幔交代熔體影響的地幔橄欖巖，F(xiàn)e-Mg-Ca同位素組成存在明顯不同(趙新苗，2019及其參考文獻(xiàn))。例如上述地區(qū)的部分鎂橄欖巖的Fe-Mg-Ca同位素組成(δ57/54Fe=-0.28‰～0.19‰；δ26/24Mg=-0.39‰～-0.19‰；δ44/40Ca=0.76‰～1.20‰；圖1、圖3、圖5)相對(duì)沒(méi)有受到地幔熔體交代的鎂橄欖巖具有更大的變化范圍。這類(lèi)橄欖巖通常被認(rèn)為是原始地幔經(jīng)不同熔融程度抽取玄武質(zhì)巖漿之后的殘留物，經(jīng)歷了后期不同程度，不同期次的小規(guī)模熔/流體交代作用的改造，使得橄欖巖的微量元素變富集(如富集輕稀土LREE)，甚至伴隨有金云母、角閃石、磷灰石等交代礦物的出現(xiàn)(趙新苗，2019及其參考文獻(xiàn))。然而經(jīng)受這種類(lèi)型地幔熔體交代的地幔橄欖巖，F(xiàn)e-Mg-Ca同位素組成變化范圍有限，它們與其主量(Mg#)、微量(單斜輝石(La/Yb)N)以及相互之間均沒(méi)有明顯的相關(guān)性(趙新苗，2019及其參考文獻(xiàn))。同時(shí)這些鎂橄欖巖不同礦物間Fe-Mg-Ca同位素分餾有限，礦物間的Fe-Mg-Ca同位素分餾均與同位素平衡分餾理論計(jì)算值接近。因此，盡管華北有些地區(qū)的鎂橄欖巖經(jīng)歷了小規(guī)模的硅酸鹽熔體交代(即熔/巖比較小)，但是僅僅造成這些鎂橄欖巖微量元素富集，而沒(méi)有導(dǎo)致其Fe-Mg-Ca同位素組成顯著變化，礦物間Fe-Mg-Ca同位素分餾也達(dá)到了平衡(趙新苗，2019及其參考文獻(xiàn))。而受到強(qiáng)烈地幔熔體交代的橄欖巖(例如華北地區(qū)的富Fe橄欖巖和異剝橄欖巖)和輝石巖(例如漢諾壩石榴子石輝石巖和單斜輝石巖)具有與硅酸鹽地球明顯不同的Fe-Mg-Ca同位素組成(δ57/54Fe=-1.04‰～1.00‰；δ26/24Mg=-1.54‰～0.06‰；δ44/40Ca=-0.08‰～0.70‰；圖1、圖3、圖5)并且礦物間Fe-Mg-Ca同位素分餾均未完全達(dá)到平衡。華北這些富Fe橄欖巖和異剝橄欖巖富Fe、具有低的Mg#、富含交代礦物金云母、角閃石和磷灰石，其礦物顆粒內(nèi)部存在單斜輝石取代斜方輝石的現(xiàn)象(圖7)，為橄欖巖-熔體反應(yīng)提供了明確的巖石學(xué)證據(jù)。更為重要的是，這些華北地區(qū)的富Fe橄欖巖和異剝橄欖巖的Fe同位素與其Mg#和Ca同位素呈很好的正相關(guān)性，而與其Mg同位素呈反相關(guān)關(guān)系(趙新苗，2019及其參考文獻(xiàn))，表明橄欖巖-熔體反應(yīng)是導(dǎo)致巖石圈地幔Fe-Mg-Ca同位素組成高度不均一及地幔礦物之間存在顯著Fe-Mg-Ca同位素分餾的重要機(jī)制。通過(guò)二端元混合及化學(xué)擴(kuò)散理論模擬計(jì)算(Zhaoetal., 2017a)，筆者證實(shí)了華北陽(yáng)原地區(qū)富Fe橄欖巖低的δ44/40Ca和δ57/54Fe值以及礦物間的Fe-Ca同位素不平衡分餾現(xiàn)象是橄欖巖與富Fe的硅酸鹽熔體反應(yīng)過(guò)程中兩者之間的元素交換所引起的動(dòng)力學(xué)分餾的體現(xiàn)，而不是碳酸鹽熔體交代的結(jié)果。該研究實(shí)例表明橄欖巖輕的Ca同位素組成不一定是碳酸鹽熔體交代的直接表現(xiàn)，這更新了長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)硅酸鹽Ca同位素組成變化范圍較小的認(rèn)知，為認(rèn)識(shí)地幔Ca同位素組成不均一性以及更好地用Ca同位素示蹤深部碳再循環(huán)提供了重要的約束條件。Chenetal.(2018)報(bào)道了華北繁峙地區(qū)橄欖巖的Ca同位素組成，認(rèn)為碳酸鹽化沉積物的俯沖可能會(huì)導(dǎo)致地幔Ca同位素組成的不均一，而Ionovetal.(2019)認(rèn)為現(xiàn)階段單純使用Ca同位素很難對(duì)硅酸鹽熔體與碳酸鹽熔體進(jìn)行區(qū)分。Huetal.(2016)和Zhaoetal.(2017b)研究發(fā)現(xiàn)石榴子石輝石巖的Mg和Fe同位素組成變化范圍很大，并且存在負(fù)相關(guān)性，很可能是地幔橄欖巖與俯沖大洋板片釋放熔體反應(yīng)的產(chǎn)物。值得注意的是，黑色單斜輝石捕虜體具有非常輕的Mg同位素組成(δ26/24Mg=-1.53‰～-1.04‰；圖3)，被認(rèn)為是再循環(huán)碳酸鹽熔體在地幔滲透的結(jié)果(Huetal., 2016, 2019)。上述研究結(jié)果表明，華北地幔捕虜體的Fe-Mg-Ca同位素組成是不均一的，橄欖巖-熔體反應(yīng)可以顯著改變巖石圈地幔的Fe-Mg-Ca同位素提供了新的地球化學(xué)佐證。

4 總結(jié)與展望

金屬穩(wěn)定同位素地球化學(xué)是當(dāng)前同位素地球化學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，我國(guó)學(xué)者在華北地幔捕虜體Fe，Mg和Ca同位素研究方面做出了長(zhǎng)足的進(jìn)展，證實(shí)Fe、Ca和Mg等金屬穩(wěn)定同位素具有研究地幔不均一性和示蹤大陸巖石圈地幔改造過(guò)程中熔體的性質(zhì)和來(lái)源的潛力(Yangetal., 2009; Tengetal., 2010; Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a, b; Huangetal., 2011; Liuetal., 2011; Xiaoetal., 2013; Huetal., 2016, 2019; Kangetal., 2016; Chenetal., 2018; Daietal., 2020)。然而，現(xiàn)有的研究工作主要是基于華北克拉通個(gè)別地區(qū)的地幔橄欖巖和輝石巖捕虜體的Fe、Ca和Mg同位素?cái)?shù)據(jù)，雖然結(jié)合了傳統(tǒng)的巖石學(xué)、元素和同位素地球化學(xué)信息的相互制約和驗(yàn)證，獲得了一些新的認(rèn)識(shí)，但是目前獲得的認(rèn)識(shí)尚不夠深入，仍有一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題亟待回答。主要表現(xiàn)在：

(1)對(duì)華北巖石圈地幔的Fe、Ca和Mg同位素組成特征的了解還是局部的、零碎的，尚不能較為全面細(xì)致地揭示華北巖石圈地幔Fe、Ca和Mg同位素組成的時(shí)空演化規(guī)律；

(2)以往的研究多聚焦于單一的Fe、Ca或Mg同位素研究，對(duì)示蹤地幔改造過(guò)程中熔體性質(zhì)和來(lái)源存在多解性和局限性?，F(xiàn)有的研究已觀察到巖石圈地幔Fe、Ca和Mg同位素組成的變化與橄欖巖-熔體反應(yīng)密切相關(guān)，并且這三個(gè)同位素體系之間存在一定的關(guān)聯(lián)，它們的聯(lián)合示蹤可以相互檢驗(yàn)，這有利于甄別巖石圈地幔演化和改造過(guò)程熔體的性質(zhì)和來(lái)源，為正確認(rèn)識(shí)克拉通破壞的機(jī)制和過(guò)程提供必要條件，但這方面的理論基礎(chǔ)尚不夠完善；

(3)導(dǎo)致巖石圈地幔組成轉(zhuǎn)變的熔體的來(lái)源和性質(zhì)復(fù)雜多樣，F(xiàn)e、Ca和Mg同位素在不同性質(zhì)熔體遷移過(guò)程中的分餾尺度和具體機(jī)制尚不完全明確。這些目前迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題客觀上要求我們開(kāi)展更大范圍的采樣和更深入的對(duì)比研究，以期對(duì)華北巖石圈地幔的Fe、Ca和Mg同位素組成特征及時(shí)空演化規(guī)律有更全面和清晰的認(rèn)識(shí)；進(jìn)一步深化對(duì)Fe、Ca和Mg同位素在地幔熔體交代過(guò)程中的分餾機(jī)制及相互之間的聯(lián)系的認(rèn)識(shí)；構(gòu)建Fe-Ca-Mg同位素聯(lián)合示蹤地幔改造過(guò)程中熔體的性質(zhì)和來(lái)源的理論框架。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)大陸巖石圈地幔改造過(guò)程中熔體的性質(zhì)和來(lái)源的準(zhǔn)確示蹤，為更深層次的制約巖石圈地幔屬性的轉(zhuǎn)變過(guò)程和機(jī)理提供重要依據(jù)。

謹(jǐn)以此文祝賀周新華老師八十華誕和感恩一直以來(lái)對(duì)第一作者的指導(dǎo)和教誨！

致謝感謝評(píng)審人對(duì)本文提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)。