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碳酸岩作为一种特殊类型的火成岩，蕴藏着丰富的稀土元素和铌等关键金属资源。弄清其成因不仅具有重要的科学意义，还能指导资源勘探，具有巨大的经济价值。目前，关于碳酸岩成因主要有三种模型：1. 地幔碳酸盐化橄榄岩的直接部分熔融；2. 硅酸盐-碳酸盐岩浆不混溶；3. 富CO2硅酸盐熔体的分异结晶。然而，这些模型的有效性从未通过岩石记录和实验数据得到充分验证。
碳酸岩究竟是如何形成的？是地幔直接熔融的产物，还是其他岩浆过程的衍生物？不同类型的碳酸岩（方解石碳酸岩 Calcite carbonatite、白云石碳酸岩 Dolomite carbonatite、铁碳酸岩 Ferro-carbonatite）之间有何成因联系？
图1 1444块碳酸盐岩成分分析
本研究首先重新评估了目前已知的633处碳酸岩产地，详细记录了碳酸岩类型、整体成分、矿物组成和野外产状等信息。随后，研究者回顾了与碳酸岩成因和演化相关的实验数据，并将自然岩石记录与实验结果进行对比分析，以期揭示碳酸岩成因的真相。
研究发现，在454处确定的岩浆成因碳酸岩中，高达84%的产地都含有方解石碳酸岩，只有9%的产地含有白云石碳酸岩而没有方解石碳酸岩。更重要的是，绝大多数（338处）碳酸岩都与碱性岩浆（Alkaline magma）有空间上的联系。这一现象暗示碳酸岩的形成可能与碱性岩浆的演化密切相关。
实验数据显示，地幔来源的碳酸岩浆成分必然为白云质（Dolomitic），并且在上涌过程中会由于绝热冷却（Adiabatic cooling）而保持在固相线上，直至其分解成橄榄石（Olivine）、单斜辉石（Clinopyroxene）和CO2。这使得碳酸岩浆从地幔中直接提取出来变得非常困难。此外，地幔来源的碳酸岩浆的碱金属含量（2-5 wt% Na2O + K2O）远低于结晶形成白云石所需的含量（≥15 wt% Na2O + K2O），因此在地壳条件下会结晶出方镁石（Periclase）和方解石，而不是白云石。
图2 用碳酸盐固溶体模型在0.5 GPa下计算的稳定碳酸盐矿物成分（颜色）
实验数据表明，富CO2的近天然成分的碱性硅酸盐熔体（如霞石岩 Nephelinite、响岩 Phonolite 熔体）在一定条件下会发生岩浆不混溶，生成钙质碳酸岩熔体。而镁质更丰富的霞石岩和橄榄霞石岩（Melilitites）则可能分异出白云石质碳酸岩熔体。这与自然界中钙质碳酸岩与演化的碱性硅酸盐岩共生的现象相符。
富CO2的超镁铁质熔体（如金伯利岩 Kimberlite、超镁铁质煌斑岩 Ultramafic lamprophyre）也可能通过分异结晶形成碳酸岩，但这一过程需要在较高压力（≥3 GPa）的岩石圈地幔中进行。
图3 0.5 GPa下的方解石-白云石固溶线，为XMg绘制轮廓，并与具有方解石+白云石的岩浆碳酸盐岩矿点中的矿物成分进行比较
本研究通过结合岩石记录和实验数据，总结了碳酸岩的成因机制。研究结果表明，绝大多数地壳中的碳酸岩并非地幔直接熔融的产物，而是源自地幔来源的碱性硅酸盐岩浆，并通过岩浆不混溶作用形成。这一结论对稀土元素和铌等关键金属资源的勘探具有重要的指导意义。
参考文献：Max W Schmidt, Andrea Giuliani, Stefano Poli, The Origin of Carbonatites—Combining the Rock Record with Available Experimental Constraints, Journal of Petrology, Volume 65, Issue 10, October 2024, egae105, https://doi.org/10.1093/petrology/egae105
