Geology: 全球碳酸岩的成因和分佈規律
近日《地質學》雜誌發表了最新論文，通過結合全球碳酸岩分佈數據和最新的高精度地震層析模型，揭示了碳酸岩與地球岩石圈結構之間存在顯著關聯，並通過熱模擬實驗揭示了大陸裂谷和地幔柱對碳酸岩形成的關鍵作用。此項研究爲理解碳酸岩的成因機制提供了新的視角，也爲未來尋找稀土資源提供了重要參考。
圖1 全球岩石圈厚度圖和碳酸鹽巖位置。REE——稀土元素。
研究人員發現，新元古代以來的碳酸岩主要分佈在古老的克拉通（大陸地殼中長期穩定的構造單元）邊緣，例如大西洋和印度洋周邊，以及北美、格陵蘭島和亞洲的部分地區。這些區域通常具有陡峭的岩石圈邊界，且岩石圈厚度變化劇烈。
圖2 地震層析成像模型，（A）非洲中部和南部、（B）南美洲東部和（C）北美洲的地圖顯示岩石圈底部的梯度,以及碳酸鹽巖的分佈。（D–F）沿相應地圖上所示剖面線的岩石圈溫度剖面圖。
爲了解釋這一現象，研究人員建立了新的熱模擬模型。模擬結果顯示，當克拉通邊緣發生裂谷作用時，來自地幔的熱量會通過傳導作用加熱克拉通岩石圈。這種加熱作用可以來自正常溫度的地幔，也可以來自溫度更高的地幔柱。在克拉通岩石圈的特定深度（約60-140公里），升溫會導致富含碳酸鹽的橄欖岩發生部分熔融，形成碳酸岩岩漿或其母岩漿。
圖3 實驗研究表明，碳酸鹽巖及其母體熔體是在地幔的特定條件下產生的。一個重要區域位於2–3 GPa和950–1300°C之間。與75至150公里厚的岩石圈相關的導電地熱與該區域相交。
模型表明，無論是地幔柱還是正常溫度的地幔，只要在克拉通邊緣發生裂谷作用，都能夠通過熱傳導作用改變岩石圈地幔的溫度，從而導致富含碳酸鹽的橄欖岩發生熔融。這爲長期以來關於大陸裂谷和地幔柱在碳酸岩形成中所起作用的爭論提供了新的見解。
圖4 克拉通邊界熱演化的簡單模型，以說明克拉通邊緣裂谷和加熱事件的影響。綠色陰影顯示碳酸鹽巖或其母岩漿的生成區域。
此外，研究還發現，快速拉伸古老的厚岩石圈也可能導致碳酸岩的形成，例如東亞地區的一些碳酸岩就可能是這種機制形成的。
雖然碳酸岩的形成是稀土元素富集的關鍵，但要形成具有經濟價值的稀土礦藏，還需要其他地質過程的參與，例如殘餘岩漿演化、熱液作用或風化作用等。
這項研究爲我們理解碳酸岩的成因和分佈規律提供了新的思路，也爲尋找新的稀土資源提供了重要的參考依據。
論文信息：Sally Gibson, Dan McKenzie, Sergei Lebedev; The distribution and generation of carbonatites. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52141.1
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