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本博士论文主要研究Ca同位素地球化学,包括Ca同位素的分析方法,高温下Ca同位素分馏以及探讨Ca同位素在示踪深部碳循环领域的潜在应用。主要目标是应用高精度Ca同位素分析方法研究高温岩浆分异过程中Ca同位素的分馏,地幔Ca同位素的不均一性,进一步探讨Ca同位素示踪深部碳循环的可能性。主要研究内容和成果如下:(1)通过在美国哈佛大学学习掌握了双稀释剂法精确测定Ca同位素组成,编写了双稀释剂法校正同位素分馏的计算程序,分析外精度达到0.02‰(2σmean)。(2)Ca同位素示踪高温地质过程中很重要的科学问题包括地幔Ca同位素的均一性及岩浆分异过程会不会造成Ca同位素分馏,地表出露的幔源岩能否代表其地幔源区的Ca同位素组成等。为了解决这一个问题,我选取夏威夷Kilauea Iki熔岩湖的样品作为研究对象。Kilauea Iki熔岩湖是一个自然形成的,近似于一个封闭的岩浆演化系统。随着岩浆冷却,内部发生分离结晶作用,是一个研究岩浆演化的理想取样点。本文首先通过MELTS模拟该岩浆分异的过程,进而分析不同演化阶段的样品的Ca同位素组成。测试的结果表明它们具有相似的Ca同位素组成(δ44/40Ca=0.91±0.03,2σmean),也就是说在玄武岩岩浆分离结晶过程不会造成Ca同位素的分馏。(3)深部碳循环中的一个很重要的科学问题是火山作用释放的CO2中与俯冲相关的再循环碳和原始幔源碳的比例。传统碳同位素可以很好的区分有机碳和无机碳,但大约95%的与俯冲相关的碳和原始幔源碳均是无机碳,需要应用非传统的Ca,Mg同位素示踪。本文针对以上科学问题,总结了近年来对于深部碳存储总量、通量及存在形式,洋壳俯冲过程中碳的行为,含碳地幔的熔融,以及前人在C、Ca,Mg以及稀有气体同位素示踪深部碳循环等方面的研究成果。前人研究曾解释具有轻Ca同位素组成的玄武岩反映了其地幔源区Ca同位素组成的不均一性,并解释它有可能是洋壳俯冲导致的沉积碳酸盐再循环的结果。然而,这一结论仅在玄武岩岩浆过程Ca同位素分馏不显著的条件下是成立的。而本文玄武岩岩浆高温分离结晶过程不会发生Ca同位素分馏的发现,为依据玄武岩Ca同位素示踪地幔源区Ca同位素不均一性奠定了基础。