刘盛遨教授课题组：铬铁矿与橄榄石之间存在“倒转”的锌同位素分馏（GCA，2021）

发布时间：2022-01-07     作者：    阅读：1224次

 探索岩浆分异过程中的金属同位素分馏一直以来都是国际地学界普遍关注的前沿问题。以锌同位素为例，前人研究预测了富集锌含量的铁钛氧化族矿物的分异，可能也会造成玄武质岩浆分异后期锌同位素变重，但目前未有铁钛氧化族矿物的锌同位素数据报道。高温下氧化物(如尖晶石族矿物)中的锌含量比硅酸盐矿物中的锌含量高几十倍，但不同类型尖晶石中锌同位素的变化以及氧化物（如铬铁矿）分离结晶对玄武质熔体中锌同位素组成的影响仍不清楚。

 针对以上科学问题，我校在读博士生杨春在导师刘盛遨教授的指导下，选取了北祁连造山带的玉石沟蛇绿岩及北冰洋Gakkel海沟的深海橄榄岩中尖晶石-橄榄石矿物作为研究对象，厘定铬尖晶石与橄榄石之间的锌同位素分馏，并估计铬铁矿分异对于玄武质熔体锌同位素分馏的影响。本文研究发现，在深海橄榄岩中铬尖晶石均比共生的橄榄石具有更轻的锌同位素组成，与前人研究中的富铝尖晶石的重锌同位素特征截然不同。这种 “倒转” 的同位素分馏特征不是由低温蚀变等后期过程造成的。此外，我们发现随着尖晶石中铬指数的上升，其锌同位素组成迅速下降。

 图1：尖晶石中键长数据对比

 通过收集实际测得的人工合成及自然产出尖晶石中的六配位键长和四配位键长数据, 我们发现随着离子半径较大的铬离子取代尖晶石中的六配位铝离子，会使得六配位键长增加，八面体晶格扩大。为了维持尖晶石的化学稳定性，其四配位的锌-氧键键长也会相应地增加。平衡分馏下，尖晶石中锌同位素组成与锌-氧键键能密切相关，较长的键长意味着键能的下降，从而导致富铬尖晶石具有较轻的锌同位素组成。本文首次实际验证了尖晶石中的锌同位素分馏主要受控于 “成分效应” 。

 图2：尖晶石中锌同位素组成与其化学组成密切相关

 在岩浆分异过程中，鉴于铬铁矿有着非常轻的锌同位素组成，铬铁矿的潜在分离结晶过程可以使得熔体的锌同位素比值显著升高，锌含量显著降低。尽管月海玄武岩的典型特征恰好是相对于地球玄武岩具有更重的锌同位素组成和更低的锌含量，但分离结晶模拟计算表明岩浆分异过程中的铬铁矿结晶不太可能解释月球玄武岩的同位素数据。此外，全球的洋岛玄武岩及大陆板内碱性玄武岩则具有更重的锌同位素组成和更高的锌含量，因此这种锌同位素特征与前人提出的铬铁矿结晶分异成因模型不符合。

 本文研究结果经整理后，发表在地球科学国际权威刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta》上：Yang C., Liu S.-A., Zhang L., Wang Z.-Z., Liu P.-P. and Li S.-G. (2021) Zinc isotope fractionation between Cr-spinel and olivine and its implications for chromite crystallization during magma differentiation. Geochimica et Cosmochimica Acta 313, 277–294. SCI, IF=5.01。