马海波&徐丽娟：Cr同位素在岩浆过程中的分馏——来自洋中脊玄武岩的证据【GCA，2022】

发布时间：2022-05-12     作者：    阅读：256次

 挥发性元素对行星形成、演化和可宜居性至关重要，其早期增生和元素挥发过程是行星科学研究领域长期关注的难点问题。前人研究发现相比较于球粒陨石，太阳系中的分异型行星（包括地球）都普遍亏损挥发性元素。由于Cr作为一种中等挥发性元素（半凝聚温度1291 K），在挥发过程中的特有的分馏行为（Cr会形成气态氧化物，例如CrO、CrO₂或CrO₃，其分馏行为与K、Zn等同位素体系相反，即重的Cr同位素会优先挥发）被广泛应用于示踪行星的挥发份亏损过程。然而，最近Hawaii和Fangataufa地区的玄武岩Cr同位素的研究发现，在低氧逸度下（月球、灶神星等）的岩浆分离结晶作用也能导致它们具有比地球玄武质岩更轻的Cr同位素特征，这严重阻碍了Cr同位素在行星科学方面应用的发展。

 针对以上研究难题，博士研究生马海波在我院徐丽娟副教授的指导下，与中国科学技术大学的沈骥副教授及我院刘盛遨教授、李曙光院士合作，对氧逸度不同于洋岛玄武岩的洋中脊玄武岩开展了系统的Cr同位素研究，取得下述一系列发现和认识：

 （1）本研究的洋中脊玄武岩的成分变化主要受控于尖晶石、单斜辉石、橄榄石和斜长石的分离结晶作用。

 （2）岩浆分离结晶会导致残余熔体富集轻的Cr同位素，这与Hawaii和Fangataufa玄武岩中的Cr同位素分馏行为较为相似（图1）。

 （3）利用前人统计总结的平均洋壳MgO含量（7.71 ± 1.31 wt%），我们计算得出洋壳的Cr同位素组成为？0.22 ± 0.05‰，与地幔Cr同位素组成之间形成强烈的对比，表明Cr同位素在示踪壳幔相互作用方面具有较大的潜力（图1）。

 （4）相比于Fangataufa玄武岩，我们发现洋中脊玄武岩中熔体与矿物之间的Cr同位素分馏（Δ⁵³Cr_crystal-melt = 0.03至0.13‰）要大于Fangataufa玄武岩（Δ⁵³Cr_crystal-melt = 0.005至0.030‰），其本质原因是洋中脊玄武岩具有更低的氧逸度导致的（图2）。此外，Fangataufa玄武岩具有较高的V/Sc比值也强烈支持这个观点（图2）。

 本研究结果表明太阳系中不同行星玄武质岩Cr同位素组成之间的差异不仅可以解释为重Cr同位素的挥发丢失，也可以是不同氧逸度下岩浆分离结晶的产物，表明Cr同位素有潜力成为“氧逸度计”去理解岩浆过程中氧逸度的演化。

 上述成果发表在国际权威地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上：Ma H.B., Xu L.J., Shen J., Liu S-A., and Li S.G. (2022) Chromium isotope fractionation during magmatic processes: Evidence from mid-ocean ridge basalts. Geochim. Cosmochim. Acta 327, 79–95.

 全文链接：.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703722001995

 图1 Cr同位素分别与MgO和Cr协变图。全硅酸盐地球的值源自Jerram et al., 2020.

 图2 Cr同位素与主微量元素协变图（a、b、c），虚线是瑞利分馏模拟线，图中数字代表熔体中残留元素的含量（Cr、MgO和^TFe₃O₄）；d V/Sc比值与SiO₂协变图