Geology: 全球碳酸岩的成因和分布规律

图1 全球岩石圈厚度图和碳酸盐岩位置。REE——稀土元素。

研究人员发现，新元古代以来的碳酸岩主要分布在古老的克拉通（大陆地壳中长期稳定的构造单元）边缘，例如大西洋和印度洋周边，以及北美、格陵兰岛和亚洲的部分地区。这些区域通常具有陡峭的岩石圈边界，且岩石圈厚度变化剧烈。

图2 地震层析成像模型，（A）非洲中部和南部、（B）南美洲东部和（C）北美洲的地图显示岩石圈底部的梯度,以及碳酸盐岩的分布。（D–F）沿相应地图上所示剖面线的岩石圈温度剖面图。

为了解释这一现象，研究人员建立了新的热模拟模型。模拟结果显示，当克拉通边缘发生裂谷作用时，来自地幔的热量会通过传导作用加热克拉通岩石圈。这种加热作用可以来自正常温度的地幔，也可以来自温度更高的地幔柱。在克拉通岩石圈的特定深度（约60-140公里），升温会导致富含碳酸盐的橄榄岩发生部分熔融，形成碳酸岩岩浆或其母岩浆。

图3 实验研究表明，碳酸盐岩及其母体熔体是在地幔的特定条件下产生的。一个重要区域位于2–3 GPa和950–1300°C之间。与75至150公里厚的岩石圈相关的导电地热与该区域相交。

模型表明，无论是地幔柱还是正常温度的地幔，只要在克拉通边缘发生裂谷作用，都能够通过热传导作用改变岩石圈地幔的温度，从而导致富含碳酸盐的橄榄岩发生熔融。这为长期以来关于大陆裂谷和地幔柱在碳酸岩形成中所起作用的争论提供了新的见解。

图4 克拉通边界热演化的简单模型，以说明克拉通边缘裂谷和加热事件的影响。绿色阴影显示碳酸盐岩或其母岩浆的生成区域。

此外，研究还发现，快速拉伸古老的厚岩石圈也可能导致碳酸岩的形成，例如东亚地区的一些碳酸岩就可能是这种机制形成的。

虽然碳酸岩的形成是稀土元素富集的关键，但要形成具有经济价值的稀土矿藏，还需要其他地质过程的参与，例如残余岩浆演化、热液作用或风化作用等。

这项研究为我们理解碳酸岩的成因和分布规律提供了新的思路，也为寻找新的稀土资源提供了重要的参考依据。

论文信息： 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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