碰撞造山带是陆壳物质输入地幔和壳-幔相互作用的主要场所，在硅酸盐地球的化学演化过程中起着至关重要的作用。然而，再循环的陆壳物质如何重塑地幔的物理和化学性质还不清楚。起源于地幔的岩浆是我们得以窥见地幔性质的重要窗口。造山带同碰撞阶段的岩浆作用以安第斯型的钙碱性系列为主，而进入碰撞后阶段则转变为富K岩浆并常出现超钾质岩浆作用。这一显著的岩浆性质转变，可能反映了地幔源区性质的改变。揭示岩浆性质转变的关键在于理清1）岩浆K的来源，以及2）岩浆源区的特征。对此，南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的李伟强教授课题组联合王孝磊教授课题组，对英国南安普顿大学 Martin Palmer教授提供的安纳托利亚造山带（土耳其）火山岩样品开展了K和Fe同位素综合研究。这套火山岩样品的成分可从同碰撞期间的过渡型（拉斑-钙碱性）-钙碱性系列转变为碰撞后的钾玄质-超钾质系列（图1），是研究上述问题的理想对象。研究表明，深俯冲沉积物产生的富K熔体交代橄榄岩地幔形成辉石岩，辉石岩进一步熔融产生超钾质岩浆，是导致造山带岩浆从钙碱性转变为超钾质的重要机制。
图1（A）和（B）分别为阿尔卑斯-喜马拉雅造山带和安纳托利亚地质简图。（C）和（D）分别表示火山岩K2O含量和K2O/Na2O比值随时间变化。
研究团队注意到，K同位素在示踪钾的来源上有较大潜力，而Fe同位素可以用来区分岩浆源区的岩石类型。所基于的理论基础是：1）陆源物质的K同位素组成不同于地幔，如，沉积物相对地幔具有低的δ41K值，而流体相对地幔则具有明显偏高的δ41K；2）辉石岩和橄榄岩是地幔最主要的岩石类型，前者相比后者明显富集重Fe同位素。研究结果显示，两类不同的性质的火山岩具有明显不同的K和Fe同位素组成。与过渡型-钙碱性系列相比，钾玄质-超钾质岩浆具有偏轻的K同位素组成（图2A）和明显偏重Fe同位素组成（图2B）。钾玄质-超钾质系列低的δ41K值表明有陆源沉积物的加入，与B同位素组成（表示为δ11B）之间的正相关进一步指示K是以多硅白云母的形式被带入至地幔源区；而高的δ56Fe值则表明其源区岩性为辉石岩。然而，过渡型-钙碱性系列低的δ56Fe则指示其起源于亏损的地幔橄榄岩，高δ41K值意味着有俯冲流体加入。这些结果表明，陆壳物质深俯冲产生的富K熔体与岩石圈地幔橄榄岩发生了反应，使其源区岩石性质转变为辉石岩，碰撞后的伸展作用导致软流圈上涌，诱发辉石岩熔融，导致造山带岩浆从钙碱性转变为超钾质（图3）。
图2 （A）火山岩K同位素组成与B同位素组成相关图。（B）火山岩Fe同位素组成与La/Yb比值协变图。实线代表基于pMELTS模拟结果计算的橄榄岩和辉石熔体δ56Fe-La/Yb值（熔融程度为3~12 wt%，压力为2~3 GPa）。
这一成果以“A recipe for making potassium-rich magmas incollisional orogens: Newinsights from K and Fe isotopes”为题发表在国际地学综合NI期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。论文的第一作者为南京大学博士后杜德宏，李伟强教授为通讯作者。共同参与者还有南京大学的王孝磊教授和研究生罗祥龙，以及英国南安普顿大学的 Martin Palmer教授和土耳其Dokuz Eylül大学的Yalçın Ersoy教授。该研究得到国家自然科学杰出青年基金和国家自然科学基金面上项目的联合资助。
图3（A）同碰撞阶段：俯冲板片脱水导致上覆橄榄岩地幔发生熔融产生钙碱性岩浆；深俯冲的陆壳物质熔融，产生的富K熔体与橄榄岩地幔反应形成辉石岩。（B）碰撞后阶段：板片断离诱发软流圈上涌，进而导致辉石岩发生熔融，产生超钾质岩浆。
文章信息：
Du, D.H., Luo, X.L., Wang, X.L., Palmer, M.R., Ersoy, E.Y., & Li, W*. (2024). A recipe for making potassium-rich magmas in collisional orogens: New insights from K and Fe isotopes. Earth and Planetary Science Letters, 632, 118642. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118642
