火成碳酸岩（Carbonatite）的成因和特性一直是地质学界研究的焦点。这种岩石的形成机制和来源的复杂性，使其成为了解地球内部过程的关键窗口之一。近日，英国剑桥大学的研究团队在《地质学》杂志上发表了关于火成碳酸岩分布及生成机制的最新研究成果，揭示了这些稀有岩石与地球深部过程的密切联系，以及它们在全球岩石圈边缘的独特分布模式。其具体的形成机制、源岩类型以及地球深部过程的细节仍然是活跃的研究领域，吸引着地质学家不断探索。

早在1948年，瑞典地质学家Harry von Eckermann就在他深入研究Alnö Complex的基础上，首次提出了碳酸岩的岩浆成因理论，为这一岩石类型的理解奠定了基础。von Eckermann的工作强调了碳酸岩并非沉积物转化而来，而是源自于地幔深处的岩浆活动，这一观点在当时颇具开创性。然而，直到1960年，发生在非洲坦桑尼亚的Ol Doinyo Lengai火山爆发事件，才最终为碳酸岩的岩浆起源提供了直接证据。这座火山喷发时释放出了富含碳酸盐的岩浆，这不仅证实了von Eckermann的早期理论，还展示了碳酸岩能够直接从岩浆状态冷却而成，进一步证明了其岩浆成因的真实性。

火成碳酸岩之所以罕见，是因为它的形成需要特殊的地质条件和异常的源岩。它主要由碳酸盐矿物组成，如方解石和白云石，这些成分在普通的岩浆岩中极为少见。此外，碳酸岩的形成往往与地幔的特殊条件相关，其中包含大量的挥发性物质，如水、二氧化碳和甲烷，这使得它们在地球岩石圈中占据着独一无二的地位。碳酸岩的出现，因此被视为地球深部碳循环的重要组成部分，对于理解地球内部的物质交换和地质历史具有重大意义。

图1. 全球岩石圈厚度图(Priestley et al，2024)和碳酸岩位置(Woolley and Kjarsgaard,2008;Liu et al，2023).REE-稀土元素

火成碳酸岩成以及最终形成与之相关的稀土矿床的物理仍存在争议。这主要反映了碳酸岩出现的不同构造环境。然而，一个广泛的共识是，碳酸岩(或它们的母体熔体)起源于地幔，在碳循环中起到关键作用，是地质历史中碳储藏与释放的重要环节。碳酸岩源于地幔，其体积虽小，却是探查地幔深层条件的理想工具。研究者结合全球岩石圈厚度图与碳酸岩的位置数据，发现新元古代以来的碳酸岩倾向于出现在厚克拉通岩石圈边缘，如南大西洋和印度洋周边、北美、格陵兰岛以及亚洲部分地区。同时，碳酸岩也在那些曾经历过显著拉伸的岩石圈区域出现，如东亚。通过热模拟，研究揭示了在克拉通边缘或岩石圈快速拉伸背景下，横纵热传导能激活碳化橄榄岩，产生原生碳酸岩或其母体碱性硅酸盐熔体。碳酸岩的形成需特定的高温（950-1250°C）和高压（2-3 GPa）条件。研究指出，克拉通岩石圈的快速拉伸或地幔柱的热传导足以改变岩石圈地幔温度，触发碳化橄榄岩的熔融，解决关于裂谷作用和加热在碳酸岩生成中作用的长期争议。通过结合观察、实验室结果和热模型，研究团队为碳酸岩的生成机制提供了新见解。在克拉通边缘，裂谷作用和地幔柱的热传导能通过横向和垂直热传导激活含碳酸盐的橄榄岩，形成原始碳酸岩。图2. 实验研究表明，碳酸岩及其母体熔体（燧石和霞石岩）是在地幔的特定条件下产生的（Pintér et al.，2021）。一个重要区域位于2–3 GPa和950–1300°C之间。75至150km之间与岩石圈相关的导热厚度与该区域相交。克拉通地热是为200公里厚的岩石圈计算的，假设地壳厚度为40公里。

展望：火成碳酸岩含有大量的挥发性物质，如水、二氧化碳和甲烷。这些挥发性物质的存在对岩石的物理性质和形成过程有重要影响，也使其在地球碳循环中扮演着关键角色。火星上的甲烷可能是由地幔中的无机过程产生的，比如碳酸盐熔融。这表明，即使在缺乏生命存在的环境中，甲烷也可以通过地质过程产生，这就为寻找外星生命增加了复杂性，因为甲烷不再仅仅是生命活动的直接标志。

因此，火成碳酸岩和火星上的甲烷都提供了地幔中无机碳循环的证据，展示了地球及其他行星上碳元素的多样性和复杂性。这项研究不仅是对碳酸岩分布与生成机制的深入探究，也为地质学界提供了宝贵的科学资料，有望推动对地球内部复杂过程的进一步认知。碳酸岩的独特性质和分布特征，使其成为研究地球深部物质循环、岩石圈演化以及资源勘探领域不可或缺的关键线索。随着研究的深入，碳酸岩在全球范围内的分布模式和生成机制将得到更为全面和精细的解析，为地球科学的发展贡献新的力量。

更多信息请阅读原文：

https://pubs.geoscienceworld.org/geology/article/doi/10.1130/G52141.1/645002/The-distribution-and-generation-of-carbonatites

碳酸岩

碳酸岩（Carbonatite）是一种由超过50%的碳酸盐矿物构成的罕见火成岩，其独特的化学成分和形成机制使其成为地球科学中的研究热点。这种岩石主要由方解石、白云石和菱镁矿组成，但同时也包含少量的硅酸盐矿物，如辉石、角闪石和橄榄石，以及富含稀土元素（REE）、钍、铌和钽的矿物，赋予其潜在的经济价值。化学上，火成碳酸岩以高CaO和CO2含量为特征，而SiO2含量相对较低，不超过20%。这种高碳酸盐含量导致岩石密度和硬度较低。它们的形成与地球深部的碳循环密切相关，可能是地幔中碳酸盐熔融的结果，或是由富含CO2的流体引发的熔融过程，通常与地幔柱活动、板块俯冲或地幔热异常相关。火成碳酸岩的产状多样，常与碱性玄武岩或超基性岩共生，形成复杂岩体结构，既可以是侵入性的岩床、岩脉或岩墙，也可以是火山喷发的产物。全球范围内，它们分布于坦桑尼亚的奥卡万戈高原、加拿大的梅尔维尔半岛和中国的白云鄂博等地。由于火成碳酸岩常伴生有稀有金属和稀土元素，它们不仅是矿产资源的潜在来源，也是研究地球深部碳循环、地幔成分和演化过程的关键载体。火成碳酸岩的形成机制仍然是地球科学领域未解之谜，持续吸引着科学家通过岩石学、地球化学和同位素分析等多学科交叉研究来探索其奥秘。