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盛佳儒、姜鼎盛、黄方,Aug. 8, 2025
铀(U)是一种天然放射性元素，是地球上天然存在的最重的元素。铀具有三个主要的天然放射性同位素：238U(99.2742%)、235U(0.7204%)和234U(0.0054%)。在长达45.6亿年的地球演化过程中，由于238U(t1/2 ≈ 4468 Ma)和235U(t1/2 ≈ 703.7 Ma)半衰期的差异，238U/235U的绝对比值从初始的~3.3逐渐演化至现今的~137.88。在传统地质年代学中，该比值通常被视为恒定不变的常数，并广泛应用于U-Pb和Pb-Pb定年方法中。然而，在过去的十几年中，得益于多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)和双稀释剂的使用，自然样品中微小的δ238U(δ238U = (238U/235U)样品/(238U/235U)CRM-145−1] × 1000(‰)，CRM-145为铀同位素标准物质)变化可以被高精度地测量。这些观测到的238U/235U变化源自U同位素发生交换的非放射性物理化学过程，即“稳定同位素分馏”。
关于富U单矿物、花岗岩、伟晶岩以及与花岗岩有关的铀矿床的研究表明，U同位素在示踪花岗岩演化及岩浆-热液成矿过程中具有重要潜力(Telus et al., 2012; Tissot et al.,2019; Chernyshev et al., 2014; Sheng et al., 2025)。然而，关于U同位素在花岗质岩浆分异与热液作用过程中的分馏行为，仍缺乏系统性的研究。为填补这一空白，中国科学技术大学黄方教授课题组基于前期建立的高精度U同位素分析方法(Sheng et al., 2024)测定了来自冰岛Hekla火山岩和中国华南骑田岭花岗岩的U同位素组成。
研究结果显示，Hekla火山岩的δ238U在岩浆演化过程中未表现出系统性变化(图1)，即便在演化晚期发生富U副矿物磷灰石和锆石结晶的条件下也是如此。这表明，分离结晶过程中未产生显著的U同位素分馏，主要原因是U在整个过程中始终保持不相容元素的行为。
图1：Hekla火山岩和骑田岭花岗岩的U同位素组成
不同于Hekla火山岩，骑田岭花岗岩在岩浆演化过程中显著受到流体出溶与交代作用的影响，表现出系统性的U同位素变化。在第一阶段花岗岩中，富含Cl-、F-和235U的流体从熔体中析出，导致残余熔体富集重U同位素(图2和图3)。
图2：骑田岭花岗岩的U同位素组成与F和Cl关系图
在第二与第三阶段的骑田岭花岗岩中，受到富集轻U同位素的流体交代作用的影响，表现为样品的δ238U降低(图1和图3)。
图3：骑田岭岩浆系统中流体出溶和流体交代过程中元素得失及铀同位素分馏示意图
综合Hekla火山岩与骑田岭花岗岩的δ238U数据可见，岩浆体系中U同位素的变化主要受到流体活动的控制，而非岩浆分异过程所主导。花岗岩中观察到的U同位素分馏特征揭示了其作为流体相关过程示踪剂的潜力，为深入理解岩浆-热液系统中元素迁移与富集机制提供了新的地球化学视角。
该工作于近日以“Fluid-mediated uranium isotope fractionation in magmatic systems”为题，发表在地球科学领域著名学术期刊Geochemical Perspectives Letters上。中国科学技术大学博士生盛佳儒为论文第一作者，姜鼎盛特任副研究员和黄方教授为共同通讯作者。共同作者还包括邓庚辛博士后、段皓晨特任副研究员、Saskia Erdmann博士(Université d’Orléans)、Matthew Jackson教授(University of California Santa Barbara)、Frederic Moynier教授(Institut de Physique du Globe de Paris)、Gabriel Devos博士(IGAG, CNR, Italy)和郭海浩教授(中国地质大学(武汉))。本研究得到了国家自然科学基金(42473010)的支持。
文章信息：Sheng, J.-R., Jiang, D.-S., Erdmann, S., Deng, G.-X., Duan, H.-C., Jackson, M., Devos, G., Moynier, F., Guo, H.-H., Huang, F. (2025) Fluid-mediated uranium isotope fractionation in magmatic systems. Geochem. Persp. Let. 36, 1–7. https://doi.org/10.7185/geochemlet.2525
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