总访问量：
蒋海川、丁昕,July 16, 2026
洋中脊玄武岩(MORB)是地球上广泛分布的一类火成岩，其记录了地幔部分熔融、岩浆演化及海洋地壳形成等关键地质过程相关信息，是认识地球内部物质循环和化学演化的重要窗口。近年来，非传统稳定同位素逐渐成为示踪岩浆过程的重要工具，其中Ni同位素因其对硫化物分离及岩浆演化过程高度敏感而备受关注。在地幔部分熔融及洋中脊岩浆系统中，Ni作为强亲硫且高度相容的元素，其元素行为传统上被认为主要受硅酸盐矿物(橄榄石、辉石)分离结晶过程控制；而在MORB体系中，硫化物普遍存在，Ni在其中也具有显著的相容性，且同时优先富集轻同位素。因此，硫化物相关过程也可能在洋中脊岩浆Ni同位素演化中发挥关键作用。然而，目前对于Ni同位素在洋中脊岩浆系统中的分馏机制仍缺乏系统认识，尤其是硫化物分离、开放体系岩浆补给以及晚期岩浆演化等过程对Ni同位素组成的影响尚未厘清，制约了Ni同位素在示踪岩浆演化及金属元素循环中的应用。
针对这一科学问题，中国科学技术大学黄方教授团队联合弗罗里达大学等国际单位，以东太平洋海隆(EPR) 9°–10°N段一套较完整的洋中脊玄武岩演化序列为研究对象，结合高精度Ni同位素分析与岩浆演化模拟，系统揭示了洋中脊岩浆系统中Ni同位素的演化规律及其控制机制。研究表明，在洋中脊岩浆系统中，硫化物分离过程与周期性岩浆补给协同作用，共同控制了Ni同位素的演化行为，为理解海洋地壳形成过程中金属元素分配与同位素分馏提供了新的约束，相关成果发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》(2026)。
研究选取东太平洋海隆9°–10°N段一套较完整的MORB—玄武安山岩—安山岩—英安岩演化序列，通过MC-ICP-MS精确测定δ60/58Ni，并结合主微量元素演化趋势及分离结晶模型进行约束。研究发现，样品δ60/58Ni整体变化范围为−0.08‰～0.93‰(图1)，并随岩浆演化呈现出显著的阶段性分异特征。
图1 δ60/58Ni组成随MgO-Ni的演化特征
在MgO为9.5–6.5 wt%的早期演化阶段，岩浆主要经历橄榄石、单斜辉石及少量斜长石的分离结晶，同时伴随持续岩浆补给过程。此阶段Ni含量快速降低，但δ60/58Ni仅在0.10‰～0.42‰范围内波动，多数样品组成接近地幔值。简单Rayleigh分离结晶模型虽然能够再现Ni的亏损趋势，却显著高估了同位素分馏幅度，表明该阶段体系并非封闭体系。进一步耦合分离结晶与周期性原始岩浆补给的模型表明，在一定程度的结晶作用后，原始MORB熔体的周期性注入可有效“重置”Ni同位素组成，从而抑制硫化物分离所导致的残余熔体重Ni同位素富集效应(图2)。该过程使得早期岩浆在开放体系中维持相对稳定的δ60/58Ni特征。
图2 分离结晶—岩浆补给耦合模型对Cu–Ni–δ60/58Ni演化的控制机制
当MgO降低至约3.5 wt%以下时，Fe–Ti氧化物开始结晶，导致熔体FeOT含量下降并显著降低硫溶解度，从而触发晚期硫化物大量析出。由于硫化物强烈富集轻Ni同位素，残余熔体迅速富集重Ni同位素，使δ60/58Ni升高至0.93‰。该过程表明，晚期Ni同位素异常并非来源于硅酸盐矿物分馏，而是由“氧化物结晶—硫化物再分离”的耦合反馈机制所控制(图3)。
图3 Fe–Ti氧化物结晶与硫化物分离共同驱动的晚期Ni同位素富集机制示意图
进一步对比表明，MORB体系与OIB体系(如Kīlauea Iki熔岩湖)在Ni同位素演化方向上呈现相反趋势，其根本差异在于硫化物饱和时序的不同：MORB中硫化物较早饱和并参与后期再分离，而OIB中硫化物饱和被推迟，使Fe–Ti氧化物主导Ni分馏过程。这一对比进一步强调了硫化物过程而非硅酸盐结晶，是控制Ni同位素系统性变化的重要因素。
该研究的主要结论如下：
(1)EPR 9°–10°N MORB的Ni同位素组成(−0.08‰～0.93‰)记录了从早期开放体系分离结晶到晚期硫化物主控的完整岩浆演化过程。
(2)早期阶段Ni同位素变化受“分离结晶—岩浆补给”耦合机制控制，补给过程有效抑制硫化物分离过程造成的同位素变化。
(3)晚期阶段Fe–Ti氧化物分离结晶诱导的硫化物饱和是造成高δ60/58Ni熔体的主控机制。
(4)MORB体系Ni同位素主要记录硫化物行为演化，而非单纯硅酸盐矿物分馏或源区不均一性，表明其可作为示踪洋中脊岩浆系统中金属再分配与开放体系过程的重要指标。
总体而言，该研究建立了Ni同位素在洋中脊岩浆系统中受“硫化物—氧化物—岩浆补给”多过程耦合控制的新模型，为理解海洋地壳形成过程中金属循环与同位素分异机制提供了关键约束。
论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生蒋海川，通讯作者为中国科大丁昕副研究员。合作者包括Michael R. Perfit (University of Florida)，Wanless V. Dorsey (Boise State University)，以及黄方教授(中国科大)。该研究得到国家自然科学基金(42273004)的资助。
文章信息
Jiang, H., Ding, X., Perfit, M.R., Wanless, D.V., Huang, F., 2026. Stepwise variation of Ni isotopes in MORBs from the East Pacific Rise: a response to magma replenishment and differentiation. Geochimica et Cosmochimica Acta 423, 1-11. doi.org/10.1016/j.gca.2026.04.023.
你必须登录之后才可以参与讨论。