廣州地化所在匯聚大陸邊緣含水玄武質巖漿的Fe同位素分餾方面取得新進展
Fe同位素是示蹤巖漿過程的良好的指示劑。自從MC-ICP-MS能夠測試高精度的Fe同位素數據以來，Fe同位素研究已有近20年的歷史。過去的研究表明，高硅的花崗質巖石（SiO2>70 wt.%）普遍具有重的Fe同位素組成。導致其Fe同位素分餾的機制主要有巖漿演化后期含水流體的出溶、磁鐵礦的后期飽和以及富Fe2+礦物的分離結晶。相比而言，玄武質和安山質巖石具有相對均一的Fe同位素組成，但有關Fe同位素在中基性巖漿中的行為以及其分餾機制并不清楚。
針對上述科學問題，中國科學院廣州地球化學研究所巖石學學科組博士后李奇維、王強研究員與中國地質大學（武漢）趙軍紅教授及其合作者對揚子西緣新元古代同德巖體進行了Fe同位素研究。研究發現，這套巖石具有高的Sr/Y比值以及強烈虧損重稀土元素，表明石榴石和/或角閃石在巖漿演化中具有重要作用。它們的δ57Fe介于+0.07~+0.21‰，這一變化的Fe同位素組成可能受控于地幔部分熔融過程中石榴石的殘留或者巖漿演化過程中石榴石的分離結晶。對樣品的Fe同位素進行橄欖石和輝石的分離結晶校正，從而獲得了原始巖漿的Fe同位素組成，這一組成比石榴石地幔部分熔融產生的熔體的Fe同位素明顯要重。因此，源區石榴石的殘留并不能解釋樣品的Fe同位素分餾。
圖1 石榴石地幔部分熔融的熔體與樣品的原始Fe同位素組成對比
進一步的研究表明，這些樣品的Dy/Yb比值與Fe同位素隨著巖漿的演化（即SiO2的升高和MgO的降低），具有明顯的先升高再降低的趨勢。這一變化的微量元素比值與Fe同位素可以用巖漿的多階段分異來解釋。原始巖漿先經歷了橄欖石/輝石的分離結晶，然后以石榴石的結晶為主。隨著巖漿的上升和水含量的升高，角閃石達到飽和。另外，同德巖體被后期的中基性巖脈侵入，在兩者的接觸帶發生了Fe同位素的擴散交換。
圖2 Dy/Yb比值與Fe同位素組成隨巖漿分異指標的變化圖解
結合前人已發表的中生代-新生代的埃達克巖的Fe同位素，可以發現所有高Sr/Y的樣品具有與全球火成巖類似的特征：只有當巖石的SiO2含量高于65-70 wt.%時，其Fe同位素才會發生顯著的分餾。因此，玄武質和安山質巖石小的Fe同位素分餾可能是因為巖漿經歷了富重Fe同位素和富輕Fe同位素的礦物的分離結晶，這一過程抑制了中基性巖漿中可能的Fe同位素變化。
圖3 分離結晶和擴散作用模擬，以及高Sr/Y樣品的Fe同位素組成隨SiO2變化圖解
該項成果發表在地球化學專業期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。（Li, Q.-W., Zhao, J.-H.*, Wang, Q.*, Zhang, Z.-F., An, Y.-J., & He, Y.-T. (2020). Iron isotope fractionation in hydrous basaltic magmas in deep crustal hot zones. Geochimica et Cosmochimica Acta 279, 29-44.
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703720302039
