中國科大揭示巖漿演化過程中的鎂同位素分餾行為

近日，中國科大地空學院碩士研究生王思杰在導師黃方教授的指導下，和國內外同行合作，對Mg同位素在洋中脊巖漿系統中的分餾行為進行了深入研究，通過高精度的Mg同位素數據，揭示了礦物分離結晶過程對殘余熔體Mg同位素組成的影響。研究成果以“Magnesium isotope behavior in oceanic magmatic systems: Constraints from mid-ocean ridge lavas from the East Pacific Rise”為題發表于國際學術期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。

鎂(Mg)是地球重要的基本組成成分之一。近十年來，雖然大洋玄武巖的Mg同位素已被廣泛應用于理解地幔演化和殼幔物質循環，但是地幔部分熔融和礦物分離結晶對熔體Mg同位素組成的影響還不清楚，主要原因是Mg同位素測量精度不夠高，難以鑒別巖漿過程中微小的Mg同位素分餾。

近年來黃方教授團隊建立了基于t檢驗統計的測量方法，目前Mg同位素的分析精度已經優于0.03‰，數據質量達到世界一流。研究團隊測量了來自東太平洋洋隆北部(EPR, 9-10°N)和重疊擴張中心(9°N OSC)的洋中脊巖漿巖(圖1)的Mg同位素組成，以研究分離結晶過程中Mg同位素的分餾行為。這些樣品包括相對原始的玄武巖到演化的英安巖，其MgO含量從8.6 wt.%變化到0.8 wt.%，其δ26Mg從-0.27 ‰變化到-0.17 ‰, 表現出最初增加、隨后持平、最后降低的趨勢。這個趨勢清楚地對應了分離結晶的三個階段，其主導礦物依次為橄欖石+斜長石、單斜輝石+斜長石、鈦磁鐵礦+單斜輝石+斜長石。

研究團隊使用同位素質量平衡模型，估計了主要含Mg礦物橄欖石(Ol)、單斜輝石(Cpx)以及鈦磁鐵礦(Ti-Mgt)與熔體間表觀分餾系數Δ26Mgmineral-melt。模擬結果表明，當Δ26MgOl-melt≈-0.10 ‰，Δ26MgCpx-melt≈0.00 ‰，以及Δ26MgTi-Mgt-melt≈0.20 ‰時，礦物結晶可以很好地解釋樣品中的Mg同位素變化(圖2)。該研究的一個重要結論是，當使用幔源熔體的Mg同位素組成來約束其地幔源區組成時，需要考慮巖漿演化過程中分離結晶的影響。

論文第一作者是中國科學技術大學碩士研究生王思杰，通訊作者為黃方教授，共同作者還包括中國科學技術大學丁昕副研究員和康晉霆副教授，美國佛羅里達大學M.R. Perfit教授以及美國博伊西州立大學V.D. Wanless副教授。該研究受國家自然科學基金(42073007)資助。

圖1(a)東太平洋洋隆(EPR)北部的地理位置圖。文中所測試的巖漿巖樣品均來自EPR 9°50′N和重疊擴張中心(9°N OSC) (b)東太平洋洋隆(EPR)重疊擴張中心的具體構造圖，包括東側的伸展分支、西側的后退分支以及被兩分支環繞的中心重疊盆地。

圖2東太平洋洋隆(EPR)巖漿巖Mg同位素在分離結晶過程中的變化模型。黑線顯示了在初始氧逸度為QFM和恒定壓力為1.5kbar的情況下，根據MELTS計算的結晶歷史，完美地再現了東太平洋洋隆(EPR)熔巖Mg同位素變化。標記為藍色圓圈的樣品(樣品2746-14)經歷鉻鐵礦的分離結晶產生了異常輕的Mg同位素組成。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24001729