罗晨皓，王瑞等：角闪石分离结晶对汇聚板片边缘岩浆氧化性的控制——来自Fe同位素的启示【EPSL, 2024】

发布时间：2024-07-01     作者：    阅读：77次

 汇聚板块边缘的岩浆活动和大陆地壳生长过程具有密切的时空关联。迄今为止的研究已经通过多种手段证实弧岩浆和碰撞带岩浆相比原始地幔具有更强的氧化性，这可能是大陆地壳氧化的主要原因。此外，较强的氧化性对于活化、迁移Cu等亲硫金属具有重要作用，因此大陆弧和碰撞带也是斑岩型Cu矿床发育的温床。富Fe矿物的结晶分异过程可能是汇聚板块边缘岩浆氧化性升高的重要原因之一，因为这类岩浆中广泛观测到随着分异演化，Fe不断损耗，而氧逸度持续上升的现象。石榴子石和角闪石都是常见的富Fe岩浆矿物，均有可能承担起促进岩浆氧化性升高的职能。石榴子石分离结晶是近年来常被用于解释弧岩浆自氧化的机制，但石榴子石稳定性高度依赖于压力条件，通常只有在加厚的大陆弧内才能广泛出现。相比之下，角闪石稳定的温度和压力条件较为广泛，且在岩浆活动中更常见。因此，角闪石的作用可能一直没有得到很好的认识。

 针对上述科学问题，我院罗晨皓博士和导师王瑞教授与其合作者澳大利亚蒙纳士大学Oliver Nebel教授，中国地质大学（武汉）李奇维教授以西藏冈底斯带中新世成矿高Sr/Y斑岩为主要研究对象，通过系统的岩石学、全岩-锆石地球化学和高精度Fe同位素分析，结合全球弧岩浆大数据、稀土元素分配模式形态系数（λ）以及地球化学模拟对角闪石分离结晶对汇聚板片边缘岩浆氧化性的促进作用进行了探讨。研究发现：

    （1）冈底斯中新世岩浆岩La/Yb、La/Sm、Dy/Yb等稀土元素比率变化趋势以及λ系数均指示出角闪石分离结晶在岩浆演化过程是主要的富Fe矿物相。通过部分熔融+多阶段分离结晶模型，发现角闪石分离结晶在全球弧岩浆活动中均具有重要地位，尤其是在岛弧系统内（图1）。

图1. （A-B）部分熔融+多阶段分离结晶模型反映冈底斯带中新世岩浆岩的分离结晶模式；（C-D）部分熔融+多阶段分离结晶模型反映全球大陆弧系统岩浆活动与岛弧系统岩浆活动的分离结晶模式

    （2）冈底斯新世岩浆岩与全球弧岩浆中普遍存在伴随演化程度升高、Fe不断亏损，δ⁵⁶Fe不断上升的趋势。而这些岩浆中普遍存在Dy/Yb与δ⁵⁶Fe负相关、而λ₂与δ⁵⁶Fe正相关的趋势，指示出角闪石分异过程还控制了岩浆中Fe同位素分馏。根据同位素分馏基本原理，较重的Fe同位素优先与高价态的Fe³⁺结合，该结果暗示出了角闪石分离结晶对岩浆氧化性提高具有重要作用（图2）。

 图2. （A-B）冈底斯带与全球弧岩浆内Fe同位素随岩浆分异程度以及Fe含量损耗的变化趋势；（C）(Dy/Yb)_N vs. δ⁵⁶Fe；（C）λ₂ vs. δ⁵⁶Fe

    （3）借助锆石微量氧逸度计，算得冈底斯带中新世样品的氧化性为ΔFMQ 0.69~ 1.52，而且氧逸度的上升与δ⁵⁶Fe具有极强的正相关性，与其他地球化学指标的协同变化趋势也与Fe同位素保持一致，验证了岩浆分异过程中Fe同位素组成可以成为氧化性的可靠指示剂。也说明了角闪石分离结晶可以控制岩浆氧化性的上升。对分离结晶过程中Fe3⁺/∑Fe的模拟计算支持角闪石可以影响岩浆氧化性的观点（图3）。

    （4）通过对比冈底斯带古-始新世贫矿岩浆与中新世富矿岩浆的地球化学及Fe同位素演化特征差异，指示出在特定背景中，岩浆中角闪石分离结晶的强弱程度，对于岩浆氧化性以及成矿潜力可能具有决定性作用。

 图3. 冈底斯中新世岩浆岩中的氧逸度变化及其与Fe同位素变化相关性。（A）δ⁵⁶Fe vs. ΔFMQ. （B）SiO₂ vs. ΔFMQ. （C）Fe₂O₃^T vs. ΔFMQ. （D）λ₂ vs. ΔFMQ.

 以上研究成果发表在地质学国际权威期刊《Earth and Planetary Science Letters》上：

Luo, C.H., Wang, R*., Nebel, O*., Li, Q.W. (2024). 

Amphibole fractionation as a key driver for oxidation of magmas in convergent margins. 

Earth and Planetary Science Letters, 641, 118851. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118851