2017, Vol. 36
2. 中国科学技术大学 地球与空间科学学院, 合肥 230026
2. CAS Key Laboratory of Crust-Mantle Materials and Environments, School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
大气CO2是最重要的温室气体之一。因此大气圈的碳收支情况是影响地球历史上气候变化的关键因素。为此人们需要研究地球各大碳储库之间碳循环情况。近几十年来，人们对地球表层碳循环 (气圈-水圈-生物圈-土壤圈) 进行了大量研究，但对地球深部碳循环的研究近十年才引起重视。其主要表现是大规模火山作用可将地球深部的碳以CO2形式喷发进入大气。而地表风化作用吸收大气CO2形成可溶性Ca-Mg碳酸盐，并通过河水汇入大海，海水还吸收大气CO2并以碳酸盐形式沉积。地球的板块构造运动可使海底沉积的碳酸盐再循环进入地幔。因此，不了解深部碳循环将不可能真正认识地球历史大气CO2和气候演变的原因。
21世纪初，人们开始关注深部碳循环对气候的影响。如Kent和Muttoni (2008) 提出白垩纪位于赤道附近的Tethys洋向欧亚大陆俯冲，将洋壳携带的巨量沉积碳酸盐带入地幔，并通过岛弧火山作用将CO2释放入大气以及同时代大火成岩省活动是造成白垩纪高温室气体效应的主因。2009年美国斯隆基金会资助为期10年的深部碳观察 (DCO) 研究计划，期望推进国际合作，吸收50个国家近2000名科学家参与研究，并吸引更多的深部碳研究资助。目前深部碳研究已经成为国际地球科学的前沿研究领域。
深部碳循环概念最早是Javoy等于1982年通过对洋中脊玄武岩 (MORB) 的碳同位素观察推导出来的。他们指出幔源的火成碳酸盐岩和大部分金刚石显示地幔碳的同位素组成为δ13C为-9‰~-2‰；但MORB的δ13C为-25‰~-30‰，平均δ13C为-26.5‰。这是由于岩浆脱气导致的碳同位素分馏使得残留岩浆大大降低其δ13C值。据此可计算MORB喷发的脱气量。他们的计算指出地球历史洋中脊的CO2脱气全部量是目前地表全部碳储量的22倍，因此必须有大量碳再循环返回地幔。据此，Javoy等 (1982) 提出全球碳循环盒子模型。然而这仅是一个推论，还需要通过同位素示踪验证是否有沉积碳酸盐通过板块俯冲再循环进入地幔 (张洪铭和李曙光，2012)，查明再循环碳在地幔的赋部位，以及查明再循环碳在地幔的存留时间及对古气候的影响。因为C同位素的岩浆脱气分馏，给应用它示踪深部碳循环带来困难。故需要探索与沉积碳酸盐有关的金属同位素 (如Mg，Ca) 示踪深部碳循环。Huang等 (2011) 率先通过研究夏威夷海岛玄武岩的Ca同位素组成示踪再循环进入下地幔的碳酸盐。Yang等 (2012) 首次观察到华北晚白垩世和新生代大陆玄武岩具有显著轻于地幔的Mg同位素组成，并指出这是大洋板块俯冲携带的碳酸盐再循环进入地幔造成的。这两项研究开启了利用Ca-Mg同位素示踪深部碳循环的研究领域。
Mg同位素示踪深部碳循环主要是基于沉积碳酸盐的Mg同位素组成 (δ26Mg为-0.5‰~-5.0‰) 显著低于地幔的同位素组成 (δ26Mg为-0.25‰±0.07‰)，且在高温岩浆过程中Mg同位素不分馏 (柯珊等，2011)。因此，再循环进入地幔的碳酸盐可以局部降低地幔的地幔的δ26Mg值，该地幔部分熔融产生的岩浆也具有低于地幔的δ26Mg值 (李曙光，2015)。由于近年来Mg同位素分析技术的进步和推广，使得应用Mg同位素示踪深部碳循环研究得到了快速发展。人们从2个方面拓展该领域研究。一方面通过对造山带超高压变质榴辉岩和碳酸盐岩，以及克拉通陆块金伯利岩的榴辉岩团块进行Mg同位素研究，以揭示板片俯冲过程中Mg同位素地球化学行为，为应用Mg同位素示踪深部碳循环奠定理论基础 (Wang et al., 2012; 2014a，2014b)；另一方面扩大对中国东部大陆玄武岩及其携带的幔源包体的Mg同位素组成及其低δ26Mg成因进行了深入研究，进一步查明了西太平洋板块俯冲导致的沉积碳酸盐再循环是造成中国东部上地幔Mg同位素组成偏轻的原因 (Xiao et al., 2013; Huang et al., 2015a)。李曙光 (2015) 已就Mg同位素示踪深部碳循环的基本理论框架和上述研究进展进行了综述和评价。本文仅就最近一年来Mg同位素示踪深部碳循环的新进展和存在问题做一综述和评价。
1 蚀变大洋岩石圈和泥质沉积物的Mg同位素组成再循环碳酸盐主要是由俯冲板块的蚀变大洋岩石圈和沉积物携带的。因此清楚了解它们的Mg同位素组成是应用Mg同位素示踪深部碳循环的基础性工作。
1.1 蚀变洋壳的Mg同位素组成Huang等 (2015b) 报道了东太平洋洋脊钻探1256D岩心样品的Mg同位素组成，并与已有的Li-O同位素进行对比。该文指出，尽管上部的玄武岩层 ( < 1000 m) 具有高δ18O，遭受了低温海水蚀变 ( < 250℃)，下部的的辉长岩层 ( > 1000 m) 具有低δ18O，遭受了高温水热蚀变 ( > 250℃)，而且水岩比差异可改变Li同位素组成，但是，该岩心的Mg同位素组成没有变化，上部和下部同样具有地幔的δ26Mg值。据此，他们获得结论是“蚀变洋壳的Mg同位素与新鲜MORB没有区别”。
1.2 泥质沉积岩Mg同位素组成Wang等 (2015a) 报道了英国浅变质泥质岩的Mg同位素组成。该文显示北部湖区不含碳酸盐泥质岩Mg同位素较重。南部湖区和高地的含碳酸盐泥质岩Mg同位素较轻。南部含碳酸盐泥质岩的0.3N HCl淋洗液的δ26Mg可低至-1.5‰；残留相的Mg同位素较重，与北部不含碳酸盐泥质岩类似。他们还进一步发现沉积碳酸盐岩的加入会造成δ26Mg值与Mg/Al，CaO/Al2O3和CaO/TiO2值的负相关。这种相关性有助于我们判断硅酸盐岩石中是否有碳酸盐混入。
Teng等 (2016) 报道了加勒比海2个深海钻探 (Site 144和Site 543) 海洋沉积物的Mg同位素组成。它们有很大的δ26Mg值变化范围 (-0.76~0.52)。这一大的变化范围受其矿物组成控制，其中Site 144富含碳酸盐样品就具有轻的Mg同位素组成，而Site 543样品以泥质沉积物为主就具有重的Mg同位素组成。
1.3 大洋岩石圈蚀变深海橄榄岩Mg同位素组成大洋岩石圈蛇纹石化或滑石化蚀变深海橄榄岩是俯冲板片脱水的主要来源之一。Teng等 (2016) 指出它们具有较重的Mg同位素组成。该数据主要依据大西洋洋中脊海洋钻探项目 (Wimpenny et al.，2012) 和西南印度洋洋脊钻探项目 (Liu et al.，2016a)。他们发现深海橄榄岩在发生蛇纹石化蚀变时 (t=200℃)，其Mg同位素组成保持不变，仍为一般地幔组成；但是在发生较高温的蚀变时 (t=350℃)，形成较多的滑石，则Mg同位素组成变重 (δ26Mg=-0.25‰~0.02‰) (Wimpenny et al., 2012)。此外，当深海橄榄岩发生更低温度的海底风化时，由于海水带走较轻的Mg同位素，风化深海橄榄岩的Mg同位素也变重 (δ26Mg=-0.10‰±0.13‰，n=23，2SD) (Liu et al., 2016b)。因此，蚀变深海橄榄岩脱水可产生富MgO和具有重Mg同位素组成的流体，这成为解释小安德烈斯岛弧熔岩具有较重Mg同位素组成的来源之一 (Teng et al., 2016)。
1.4 遗留问题Huang等 (2015b) 报道的东太平洋洋脊钻探1256D结果是位于洋脊附件的年轻蚀变洋壳，它不能代表接近俯冲带的古老蚀变洋壳组成。Huang等 (2016) 调查了接近马里亚纳海沟的深度蚀变洋壳的Mg同位素组成，发现其Mg同位素组成有很大的变化范围 (-2.76‰~0.22‰)，表明低温海水蚀变可导致很大的Mg同位素分馏。显然，如何认识这两个蚀变洋壳Mg同位素组成的巨大差异，揭示海水蚀变导致Mg同位素分馏的机制还需进一步工作。
2 再循环榴辉岩的Mg同位素组成Wang等 (2015b) 报道了西非克拉通金伯利岩中高MgO和低MgO榴辉岩的Mg同位素组成。不仅再次验证了再循环榴辉岩具有低δ26Mg值，还发现低Mg榴辉岩包体的δ26Mg与Na2O/CaO呈负相关，暗示蚀变洋壳的细碧岩化可降低δ26Mg。但是其δ26Mg与δ18 O无相关性，且对应地幔O同位素值。这与海水蚀变应改变O同位素值矛盾。该文结论榴辉岩的低δ26Mg是玄武质洋壳与碳酸盐在洋壳俯冲过程中发生Mg同位素交换的结果。但是与碳酸盐的Mg同位素交换并不提高榴辉岩的Na2O含量。无独有偶，缅甸硬玉岩也具有低δ26Mg值，且与Na2O含量呈负相关 (据陈意报告)。因此，什么过程可以造成榴辉岩的δ26Mg与Na2O/CaO和Na2O含量呈负相关仍是一个谜!
3 具有EM-I和HIMU特征的低δ26Mg玄武岩成因 3.1 进展Yang等 (2012) 首次观测到华北晚白垩世-新生代玄武岩的低δ26Mg特征，并将其地幔源区的低δ26Mg特征归结为来自俯冲洋壳的含碳酸盐熔体交代地幔的结果。然而Sedaghatpour等 (2013) 观察到月岩低Ti和高Ti玄武岩之间具有很大的Mg同位素分馏 (δ26Mg=-0.61‰~0.0.02‰)。该文解释月岩高Ti玄武岩的低δ26Mg特征是其源区为月球岩浆海具轻Mg同位素特征的钛铁矿堆晶结果。尽管这一解释带推测性，但月球没有板块俯冲也可以产生低δ26Mg玄武岩的事实表明玄武岩的低δ26Mg特征是多成因的。因此，中国东部玄武岩的低δ26Mg能否指示深部碳循环需要重新论证。
Huang等 (2015a) 根据华南新生代碱性玄武岩具有的K，Pb，Zr，Hf和Ti的负异常与碳酸盐岩类似，它们的高Ca/Al和重O同位素组成 (δ18 O=6.4‰~8.5‰)，以及华南玄武岩TiO2含量 ( < 2.7%) 远低于月岩高Ti玄武岩 (> 6%) 和Nb/Ta与TiO2无相关性等特征，重新论证了中国东部大陆玄武岩的低δ26Mg特征是地幔源区卷入再循环碳酸盐的结果。该文还发现，中国东部大陆玄武岩的δ26Mg值与对Na2O+K2O，Ti，La，Nd，Nb，Th，等高不相容元素 (铷) 含量，以及Sm/Yb和Nb/Y值均呈负相关关系。这种相关性说明其Mg同位素比值变化与碳酸盐化橄榄岩的部分熔融比例相关。
Tian等 (2016) 报道了东北五大连池地区具有EM-I同位素特征的高钾玄武岩也具有低δ26Mg特征。该文论证了该类高SiO2，高K2O玄武岩的δ26Mg特征也是西太平洋板块俯冲至上下地幔过渡带，其携带的碳酸盐与俯冲洋壳一起在地幔过渡带部分熔融，其熔体向上渗滤，交代上地幔的结果。该被交代的碳酸化上地幔上涌，并发生部分熔融，产生了具有低δ26Mg特征的低SiO2熔体，它与早先富集的具有EM-Ⅰ型Sr-Nd同位素特征的岩石圈地幔发生相互作用。通过如下反应，
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富集岩石圈地幔的辉石 (Opx，Cpx) 变成橄榄石 (Ol)，失去部分SiO2及不相容元素 (如K、REE和Sr) 进入熔体，从而使熔体变成富SiO2，富钾，并具有EM-Ⅰ型Sr-Nd同位素特征的熔体；而新生成的橄榄石继承了地幔辉石的全部MgO，从而使熔体的Mg同位素组成不发生改变，仍具有低δ26Mg特征。
Wang等 (2016) 报道了新西兰具有HIMU特征的板内碱性玄武岩表现为低δ26Mg特征，其δ26Mg值为0.47‰~0.06‰，并与 (Gd/Yb)N值呈负相关。据此，该文解释其低δ26Mg值成因为橄榄岩熔体和再循环碳酸盐化榴辉岩熔体的混合成因。这一成因解释与中国东部低δ26Mg值玄武岩的成因解释不同，后者是再循环碳酸盐交代混染地幔成因，二者对深部碳循环的意义不同 (详见下文)。该文提出了低δ26Mg玄武岩成因的另一种可能性。
3.2 问题上述所有关于中国东部玄武岩Mg同位素的研究均忽略了一个问题，即除了再循环沉积碳酸盐外，部分榴辉岩或碳酸盐化榴辉岩也具有低δ26Mg值 (Wang et al., 2012, 2014a, 2015b)。这些低δ26Mg值榴辉岩再循环可导致局部地幔的低δ26Mg异常 (Wang et al., 2016)。这些榴辉岩的CO2含量并不高，如荣成5个碳酸盐化榴辉岩的δ26Mg值可低至-1.2‰~-1.9‰，但CO2含量仅0.11%~0.28% (Wang et al., 2014a)。因此，低δ26Mg值榴辉岩再循环导致的地幔低δ26Mg异常并不必然指示伴随有碳酸盐再循环。因此，如何区分地幔低δ26Mg异常是再循环沉积碳酸盐成因，还是低δ26Mg值榴辉岩再循环成因仍然是Mg同位素示踪深部碳循环一个待解决的科学问题。尽管Wang等 (2016) 提出δ26Mg值与 (Gd/Yb)N值呈负相关可指示碳酸盐化榴辉岩的再循环，但是碳酸盐熔体也具有LREE富集和HREE亏损特征 (Huang et al., 2015b)，同样具有低GdN/YbN值。因此，碳酸盐熔体与橄榄岩熔体混合也可以产生δ26Mg值与 (Gd/Yb)N值呈负相关的特征，它无法有效区分地幔低δ26Mg异常是再循环沉积碳酸盐成因，还是碳酸化榴辉岩再循环成因，还需要更深入研究寻找更有效的判别指标。最近，Liu等 (2016b) 发现中国东部低δ26Mg玄武岩Zn同位素异常偏重，并且δ66Zn与δ26Mg有很好的负相关关系，指出Zn同位素也可以示踪深部碳循环。进一步探讨再循环碳酸盐和再循环榴辉岩的Zn同位素组成有无差异有可能是寻找区分再循环沉积碳酸盐和再循环碳酸化榴辉岩再循环的有效途径。
4 低δ26Mg玄武岩熔融p-t条件的Mg-Sr同位素制约玄武岩熔融p-t估计通常使用熔体SiO2压力计。它依据的是橄榄岩熔融时的缓冲反应：
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该反应前后摩尔体积变化很大，故对压力敏感。该压力计计算公式基本依据无水橄榄岩的熔融实验资料拟合 (Lee et al., 2009)。但是，碳酸化橄榄岩的固相线与无水橄榄岩固相线相差甚远 (Dasgupta，2013)。这使得现有的熔体SiO2压力计不适用于碳酸盐化橄榄岩熔融产生的低δ26Mg玄武岩。
由于地幔碳酸盐矿物种属 (方解石、白云石、菱镁矿) 的稳定区间受制于p-t条件; 查明再循环碳酸盐的矿物种属，就可以约束熔融p-t条件。根据方解石、白云石、菱镁矿的Mg-Sr含量有很大差异，导致在Mg-Sr同位素图上它们与MORB的混合线曲率不同。这可用来判别源区碳酸盐矿物种属。依据这一原理，Huang和Xiao (2016) 根据中国东部华北和华南玄武岩的Mg-Sr同位素图及MORB与不同碳酸盐的混合曲线，判断出其源区再循环碳酸盐种属主要是菱镁矿+白云石。据此和根据白云石分解为菱镁矿+文石的p-t相变线和碳酸盐化橄榄岩固相线，以及上地幔绝热线判断出中国东部碱性玄武岩的初熔深度应在300~360 km。该文的一个问题是高压下稳定的是菱镁矿+文石组合，该文将文石与菱镁矿分离并与低压稳定的方解石合并为同一端元 (Huang and Xiao, 2016) 的处理方式不合理，这个问题还需要更细致的研究。
5 含碳酸盐熔流体交代岩石圈地幔的证据中国东部新生代碱性玄武岩和部分中生代石英闪长岩侵入体含大量来自岩石圈地幔的橄榄岩或单斜辉石岩包体。它们的Mg同位素组成可记录再循环地壳物质与岩石圈地幔的相互作用。其中已有3处富含单斜辉石的地幔交代成因包体观察到低δ26Mg异常。
5.1 山东昌乐北岩的单辉橄榄岩 (wehrlite) 包体它是熔体交代二辉橄榄岩成因，含方解石、磷灰石、角闪石、金云母等交代矿物，未发现白云石。Yang等 (2009) 和Xiao等 (2013) 报道该地二辉橄榄岩包体具有正常地幔Mg同位素组成，但交代成因的单辉橄榄岩具有低的δ26Mg值 (低至-0.39‰~-0.44‰)。这被解释为是岩石圈地幔被具有低δ26Mg值的熔体交代成因。
5.2 汉诺坝新生代玄武岩携带有多种类地幔包体Hu等 (2016) 观测到其中的石榴石二辉岩 (websterite) 和石榴石单斜辉石岩具有大的Mg同位素变化范围 (δ26Mg=-0.48‰~-0.1‰)，被解释为地幔二辉橄榄岩与来自俯冲洋壳的富硅熔体相互作用产物。该文还观察到二个不含石榴石单斜辉石岩具有非常低的δ26Mg值 (-1.26‰和-1.51‰)，它们是目前已报道的地幔包体的最低值，被解释为再循环碳酸盐的熔体在地幔渗滤的结果。
5.3 安徽宿州夹沟白垩纪石英闪长岩携带有地幔来源的含尖晶石、石榴石或金云母单斜辉石岩包体它们来自岩石圈地幔尖晶石相到石榴石相橄榄岩过渡带。Wang等 (2016) 测定了6块包体样品具有很轻的Mg同位素组成 (δ26Mg=-0.73‰~-1.23‰)。这类幔源包体的δ26Mg值与CaO含量呈负相关关系，以及它们的Nb-Ta负异常，扁平的REE模式，和Ba-K-U-Pb正异常说明它们遭受了俯冲板片析出含溶解碳酸盐流体交代而非碳酸盐熔体交代。其中一个包体的锆石U-Pb年龄 (393±7 Ma) (Liu et al., 2013) 指出该岩石圈地幔交代作用与古生代古特提斯洋壳的北向俯冲有关。
5.4 问题(1) 上述具有低δ26Mg的地幔包体均来自华北克拉通，说明华北克拉通岩石圈地幔可能普遍遭受了周边俯冲板片的含碳酸盐熔流体的交代作用，这对华北克拉通岩石圈的破坏与减薄有重要意义。然而华北克拉通南、北、东三面在不同时期遭受了洋壳俯冲的影响，要判定它们每个部位具体与哪个俯冲洋壳有关需要有年代学证据。目前仅夹沟低δ26Mg地幔包体有古生代年龄证据，其他尚无低δ26Mg地幔包体的年龄证据，这需要进一步工作。
(2) 与低δ26Mg玄武岩成因问题类似，地幔包体的低δ26Mg特征成因也可能具多解性。它是否仅与再循环碳酸盐有关，还是有可能与再循环碳酸盐化榴辉岩有关还需要提供区分二者的证据。
(3) 无论山东北岩还是汉诺坝都观察到部分交代地幔包体具有重的Mg同位素组成，它们代表何种再循环物质尚需要更深入研究。
6 特提斯洋俯冲带深部碳循环的Mg同位素示踪 6.1 拉萨地体上地幔碳酸盐交代证据Liu等 (2015) 报道了青藏高原拉萨地体来自地幔的新生代超钾火山岩Os-Sr-Mg同位素研究结果。该火山岩具有变化而且低的δ26Mg值 (-0.22‰~-0.46‰)，但该火山岩部分样品显示遭受了强烈地壳混染，我们需要区分陆壳混染对Mg同位素的影响。该文发现在Os-Mg同位素图上，样品显示了两个演化趋势：(1) 趋势A，具有大的187Os/188Os变化范围和高达0.7的值，但其δ26Mg值接近地幔值，表明这组样品遭受了陆壳混染，但没有显著影响Mg同位素组成；(2) 趋势B，具有很小的187Os/188Os变化范围和小于0.2的值，但其δ26Mg可低至-0.46‰，表明这组样品很少陆壳混染，其低δ26Mg值反映其地幔源区遭受了再循环碳酸盐的交代。此外，该文还显示再循环交代地幔的碳酸有很高的87 Sr/86 Sr值 ( > 0.72)，因此在循环的沉积物含有相当量的陆源沉积物 (GLOSS) (Liu et al., 2015)。
6.2 帕米尔上地幔碳酸盐交代证据Ke等 (2016) 报道了新疆帕米尔高原来自上地幔碱性正长岩和花岗正长岩的Mg-Sr-O同位素组成。它们均具有较低的δ26Mg值 (正长岩：-0.46‰~-0.26‰；花岗正长岩：-0.41‰~-0.17‰)。其中正长岩表现出很好地Mg-O同位素负相关性，其δ18O值可高达11。这种Mg-O同位素负相关性很好地证明了其低的δ26Mg值是再循环碳酸盐交代地幔的结果。该类岩石同样具有较高的87Sr/86Sr值 ( > 0.711)。综合Mg-Sr-O同位素模拟计算结果表明交代地幔的再循环的碳酸盐岩是石灰岩和白云岩并含有少量印度洋沉积物 (6%~15%)。
6.3 问题已报道的拉萨地体和帕米尔两个来自上地幔的碱性岩研究结果显示了特提斯洋壳消减对该区上地幔Mg同位素组成的低δ26Mg改造效应。其共同特点是具有较高的87Sr/86Sr值，这有别于与西太平洋板块俯冲有关的中国东部大陆玄武岩，有可能反映了碳酸盐再循环深度的差别。但是目前有关特提斯带的研究还太少，只有两个点，而且岩石都是中酸性碱性岩，缺少玄武质岩石，尚不足以下结论。今后应加强特提斯带更多地区尤其是玄武质岩石和火成碳酸盐的Mg同位素和其他同位素的综合研究。
7 塔里木大火成岩省霞石岩和金伯利岩的Mg同位素研究Chen等 (2015) 报道了塔里木大火成岩省西北部瓦吉里塔格地区形成时代为268±30 Ma的霞石岩和金伯利岩具有亏损地幔的Sr-Nd同位素组成 (t=270 Ma时的初始87Sr/86Sr=0.70348~0.70371；初始143Nd/144Nd=0.51245~0.51248) 但异常轻的Mg同位素组成。其中霞石岩δ26Mg=-0.35‰~-0.55‰，金伯利岩δ26Mg=-0.36‰~-0.75‰。他们解释该轻Mg同位素组成是早-中古生代南天山古洋壳向塔里木陆块下俯冲，其携带的沉积碳酸盐交代上地幔的结果。
该文不足之处是没有讨论碳酸盐地幔交代作用为什么没有显著升高地幔源区的Sr同位素组成。这可能反映其地幔交代深度可能大于300 km，再循环碳酸盐主要是菱镁矿，含较少的Sr，因而没有显著改造地幔源的Sr同位素组成。此外，塔里木大火成岩省主体的拉班玄武岩的Mg同位素组成尚未调查。全面调查塔里木大火成岩省的Mg同位素组成有助于认识其成因及深部过程。
8 东非坦桑尼亚火成碳酸盐Mg同位素研究Ling等 (2013) 报道了白云鄂博火成碳酸岩的Mg同位素组成变化范围很大，可以大于或远低于地幔值。他们用各种端元混合来解释，忽略了碳酸岩浆可能经历了复杂的演化过程和相伴的同位素分馏。Li等 (2016) 报道了东非坦桑尼亚Oldoinyo Lengai的橄榄黄长岩和过碱性硅酸岩浆岩、霞石岩和富Na碳酸盐岩的Mg同位素组成。其中橄榄黄长岩及过碱性硅酸岩浆岩具有一般地幔值或略重，δ26Mg=-0.30‰~-0.26‰或-0.25‰~-0.10‰；被推测是岩浆不混溶成因的霞石岩具有较重的Mg同位素组成，δ26Mg=-0.06‰~+0.09‰；富Na碳酸盐岩具有最重的Mg同位素组成δ26Mg=+0.13‰~+0.37‰。此外，他们还返现发现富Na碳酸盐的δ26Mg与它们的Na2O+K2O和CaO+SrO+BaO含量呈负相关。据此Li等 (2016) 推测：过碱性硅酸岩浆的不混溶产生具有较重的Mg同位素组成的霞石岩浆和推测的具有轻Mg同位素组成的初始碳酸岩浆；该初始碳酸岩浆经富Na碳酸盐矿物分离结晶产生演化的具有重Mg同位素组成的富Na碳酸岩浆。
该研究遗留问题是：①初始碳酸岩浆的Mg同位素组成没有给出约束，只是推测应该轻；②富Na碳酸岩浆在火成碳酸盐岩中是一种特例，还需要非富Na碳酸盐的研究，以探讨影响其Mg同位素组成变化的影响因素。
9 结语在过去的一年多时间里，Mg同位素示踪深部碳循环研究得到了迅速发展，已有上述一大批优秀成果发表，同时也揭示出众多待研究的问题。这些问题说明深部碳循环的镁同位素示踪和高温Mg同位素地球化学研究存在非常广阔的研究领域。概括起来，这些问题表明未来如下领域仍是我们需要关注的重点。
(1) 幔源岩石低δ26Mg特征的成因仍具有多解性。如何区分再循环碳酸盐和再循环碳酸盐化榴辉岩使我们亟待解决的任务。
(2) 板块俯冲过程中的Mg同位素地球化学行为仍是一个重要研究领域。岛弧火山作用作为公认的再循环碳排放的重要出口，为什么岛弧火山岩不显示低δ26Mg特征仍是一个未解问题。
(3) 再循环碳酸盐到达和储存于地幔的深度 (岩石圈地幔、上地幔、还是下地幔？)，其时空分布以及滞留时间是深部碳循环的一个重要且存在分歧的重要科学问题。利用金属同位素示踪能否给出更多的约束是我们努力的方向。
(4) 火成碳酸盐的Mg同位素研究太少，大量非富Na碳酸盐岩的Mg同素分异规律不清楚。
(5) Mg同位素显然不能示踪不含或很少含Mg的碳酸盐，如方解石、文石、菱铁矿，等的再循环。这需要我们积极开展其他金属同位素示踪深部碳循环的研究。目前，仅有很少的锌、钙同位素示踪深部碳循环研究成果发表，还需要投入跟多的人力和物力开展这些研究。
致谢: 感谢刘金高、藤方振、王水炯对本文提出的修改意见。
| [] | Cheng Z G, Zhang Z C, Hou T, Santosh M, Zhang D Y, Ke S. 2015. Petrogenesis of nephelinites from the Tarim Large Igneous Province, NW China:Implications for mantle source characteristics and plume-lithosphere interaction. Lithos, 220. |
| [] | Dasgupta R. 2013. Ingassing, storage, and outgassing of terrestrial carbon through geologic time. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 75(1): 183–229. DOI:10.2138/rmg.2013.75.7 |
| [] | Hu Y, Teng F Z, Zhang H F, Xiao Y, Su B X. 2016. Metasomatism-induced mantle magnesium isotopic heterogeneity:Evidence from pyroxenites. Geochimica et Cosmochimica Acta, 185: 88–111. DOI:10.1016/j.gca.2015.11.001 |
| [] | Huang J, Li S G, Xiao Y L, Ke S, Li W Y, Tian Y. 2015a. Origin of low δ26Mg Cenozoic basalts from South China Block and their geodynamic implications. Geochimica et Cosmochimica Acta, 164: 298–317. DOI:10.1016/j.gca.2015.04.054 |
| [] | Huang J, Ke S, Gao Y J, Xiao Y L, Li S G. 2015b. Magnesium isotopic compositions of altered oceanic basalts and gabbros from IODP Site 1256 at the East Pacific Rise. Lithos, 231: 53–61. DOI:10.1016/j.lithos.2015.06.009 |
| [] | Huang J, Xiao Y L. 2016. Mg-Sr isotopes of low-δ26Mg basalts tracing recycled carbonate species:Implication for the initial melting depth of the carbonated mantle in eastern China. International Geology Review, 58(11): 1350–1362. DOI:10.1080/00206814.2016.1157709 |
| [] | Huang K J, Teng F Z, Plank T, Staudige H, Hu Y, Bao Z Y. 2016. Magnesium isotopic composition of the altered oceanic crust: Implications for the magnesium geochemical cycle. Geochimica et Cosmochimica Acta, In revision. |
| [] | Huang S C, Farkaš J, Jacobsen S B. 2011. Stable calcium isotopic compositions of Hawaiian shield lavas:Evidence for recycling of ancient marine carbonates into the mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta, 75(17): 4987–4997. DOI:10.1016/j.gca.2011.06.010 |
| [] | Javoy M, Pineau F, Allègre C J. 1982. Carbon geodynamic cycle. Nature, 300(5888): 171–173. DOI:10.1038/300171a0 |
| [] | Ke S, Teng F Z, Li S G, Gao T, Liu S A, He Y S, Mo X X. 2016. Mg, Sr, and O isotope geochemistry of syenites from northwest Xinjiang, China:Tracing carbonate recycling during Tethyan oceanic subduction. Chemical Geology, 437: 109–119. DOI:10.1016/j.chemgeo.2016.05.002 |
| [] | Kent D V, Muttoni G. 2008. Equatorial convergence of India and early Cenozoic climate trends. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(42): 16065–16070. DOI:10.1073/pnas.0805382105 |
| [] | Lee C T A, Luffi P, Plank T, Dalton H, Leeman W P. 2009. Constraints on the depths and temperatures of basaltic magma generation on Earth and other terrestrial planets using new thermobarometers for mafic magmas. Earth and Planetary Science Letters, 279(1-2): 20–33. DOI:10.1016/j.epsl.2008.12.020 |
| [] | Li W Y, Teng F Z, Halama R, Keller J, Klaudius J. 2016. Magnesium isotope fractionation during carbonatite magmatism at Oldoinyo Lengai, Tanzania. Earth and Planetary Science Letters, 444: 26–33. DOI:10.1016/j.epsl.2016.03.034 |
| [] | Ling M X, Liu Y L, Williams I S, Teng F Z, Yang X Y, Ding X, Wei G J, Xie L H, Deng W F, Sun W D. 2013. Formation of the world's largest REE de-posit through protracted fluxing of carbonatite by subduction-derived fluids. Scientific Reports, 3: 1776. |
| [] | Liu D, Zhao Z D, Zhu D C, Niu Y L, Widom E, Teng F Z, DePaolo D J, Ke S, Xu J F, Wang Q, Mo X X. 2015. Identifying mantle carbonatite metasomatism through Os-Sr-Mg isotopes in Tibetan ultrapotassic rocks. Earth and Planetary Science Letters, 430: 458–469. DOI:10.1016/j.epsl.2015.09.005 |
| [] | Liu P P, Teng F Z, Zhou M F, Dick H J B, Chung S L. 2016a. Magnesium isotopic composition of abyssal peridotite. Goldschmidt Conference Abstracts, Yokohama, 1853. |
| [] | Liu S A, Wang Z Z, Li S G, Huang J, Yang W. 2016b. Zinc isotope evidence for a large-scale carbonated mantle beneath eastern China. Earth and Planetary Science Letters, 444: 169–178. DOI:10.1016/j.epsl.2016.03.051 |
| [] | Liu Y C, Wang A D, Li S G, Rolfo F, Li Y, Groppo C, Gu X F, Hou Z H. 2013. Composition and geochronology of the deep-seated xenoliths from the south-eastern margin of the North China Craton. Gondwana Res, 23(3): 1021–1039. DOI:10.1016/j.gr.2012.06.009 |
| [] | Sedaghatpour F, Teng F Z, Liu Y, Sears D W G, Taylor L A. 2013. Magnesium isotopic composition of the moon. Geochim Cosmochicm. Acta, 120: 1–16. DOI:10.1016/j.gca.2013.06.026 |
| [] | Teng F Z, Hu Y, Chauvel C. 2016. Magnesium isotope geochemistry in arc volcanism. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 113(26): 7082–7087. DOI:10.1073/pnas.1518456113 |
| [] | Tian H C, Yang W, Li S G, Ke S, Chu Z Y. 2016. Origin of low δ26Mg basalts with EM-I component:Evidence for interaction between enriched lithosphere and carbonated asthenosphere. Geochimica et Cosmochimica Acta, 188: 93–105. DOI:10.1016/j.gca.2016.05.021 |
| [] | Wang S J, Teng F Z, Williams H M, Li S G. 2012. Magnesium isotopic variations in cratonic eclogites:Origins and implications. Earth and Planetary Science Letters, 359. |
| [] | Wang S J, Teng F Z, Li S G. 2014a. Tracing carbonate-silicate interaction during subduction using magnesium and oxygen isotopes. Nature Communications, 5: 5328. DOI:10.1038/ncomms6328 |
| [] | Wang S J, Teng F Z, Li S G, Hong J A. 2014b. Magnesium isotopic systematics of mafic rocks during continental subduction. Geochimica et Cosmochimica Acta, 143: 34–48. DOI:10.1016/j.gca.2014.03.029 |
| [] | Wang S J, Teng F Z, Rudnick R L, Li S G. 2015a. The behavior of magnesium isotopes in low-grade metamorphosed mudrocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 165: 435–448. DOI:10.1016/j.gca.2015.06.019 |
| [] | Wang S J, Teng F Z, Rudnick R L, Li S G. 2015b. Magnesium isotope evidence for a recycled origin of cratonic eclogites. Geology, 43(12): 1071–1074. |
| [] | Wang S J, Teng F Z, Scott J M. 2016. Tracing the origin of continental HIMU-like intraplate volcanism using magnesium isotope systematics. Geochimica et Cosmochimica Acta, 185: 75–87. |
| [] | Wang Z Z, Liu S A, Ke S, Liu Y C, Li S G. 2016. Magnesium isotopic heterogeneity across the cratonic lithosphere in eastern China and its origins. Earth and Planetary Science Letters, 451: 77–88. DOI:10.1016/j.epsl.2016.07.021 |
| [] | Wimpenny J, Harvey J, Yin Q. 2012. The effects of serpentinization on Mg isotopes in Mid-Atlantic ridge peridotite. In: American Geophysical Union, Fall Meetings. San Francisco, OS41A-1700 |
| [] | Xiao Y, Teng F Z, Zhang H F, Yang W. 2013. Large magnesium isotope fractionation in peridotite xenoliths from eastern North China craton:Product of melt-rock interaction. Geochimica et Cosmochimica Acta, 115: 241–261. DOI:10.1016/j.gca.2013.04.011 |
| [] | Yang W, Teng F Z, Zhang H F. 2009. Chondritic magnesium isotopic composition of the terrestrial mantle:A case study of peridotite xenoliths from the North China craton. Earth and Planetary Science Letters, 288(3-4): 475–482. DOI:10.1016/j.epsl.2009.10.009 |
| [] | Yang W, Teng F Z, Zhang H F, Li S G. 2012. Magnesium isotopic systematics of continental basalts from the North China craton:Implications for tracing subducted carbonate in the mantle. Chemical Geology, 328: 185–194. DOI:10.1016/j.chemgeo.2012.05.018 |
| [] | 柯珊, 刘盛遨, 李王晔, 杨蔚, 藤方振. 2011. 镁同位素地球化学研究新进展及其应用. 岩石学报, 27(2): 383–397. |
| [] | 李曙光. 2015. 深部碳循环的Mg同位素示踪. 地学前缘, 22(5): 143–159. |
| [] | 张洪铭, 李曙光. 2012. 深部碳循环及同位素示踪:回顾与展望. 中国科学 (D辑), 42(10): 1459–1472. |