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金属稳定同位素地球化学实验室,Feb. 21, 2019
地幔是地球最大的圈层。金属稳定同位素为研究地幔提供了新的工具和视野。我们的主要目标是精准确定地幔的金属稳定同位素（例如Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Ba和V）组成及其在地幔过程中的分馏行为和机理。在此基础上，利用金属稳定同位素为地幔演化、幔源岩浆岩成因和 地壳物质再循环提供新的制约。近3年在这一研究方向上所取得的主要研究成果和 最新研究进展如下：
玄武岩携带的橄榄岩包体是最直接的上地幔样品。我们分析了来自中国东部、蒙古利亚和西伯利亚的橄榄岩全岩和矿物的Ca同位素，发现：（1）共生的单斜辉石与斜方辉石间存在~1‰的分馏（图1.4.1a），且受控于斜方辉石的Ca/Mg比，反映了矿物成分对同位素平衡分馏系数的影响；（2）原始饱满的橄榄岩具有均一的Ca同位素组成，平均δ44/40Ca915a值为0.94± 0.05‰（图4.1b）（3）亏损的橄榄岩具有较高的δ44/40Ca915a= 1.06 ± 0.04‰，说明部分熔融能够导致Ca同位素分馏，熔体提取轻Ca同位素，残留地幔富集重 Ca同位素（图4.1b）；（4）交代橄榄岩具有明显偏低的δ44/40Ca915a= 0.25 ~ 0.96‰，暗示受到再循环地表碳酸盐的交代作用（图4.1b）。
图4.1. (a) 斜方辉石Ca/Mg与两类辉石间Ca同位素分馏值图解；(b) 橄榄岩全岩δ44/40Ca915a与CaO含量图解。
图b中虚实线附近数字表示熔体-橄榄岩间Ca同位素平衡分馏系数 (Kang et al., 2016,2017)。
Cu 是亲硫、亲铜、变价（0,+1,+2 ）元素，主要富集在硫化物中。因此， Cu 同位素能够很好地反映交代介质组成、氧化还原状态和地幔氧逸度。为探究地幔过程中 Cu 同位素的分馏行为和机理，我们分析了意大利南 Alps 造山带 Baldissero 和 Balmuccia 地体橄榄岩样品。结合前人发表的橄榄岩 Cu 同位素数据，我们发现（图 4.2 ）(1)部分熔融不能解释橄榄岩高度变化的 δ65Cu ；(2)硫不饱和熔体（即硅酸盐熔体）渗滤致使地幔橄榄岩中富集 63 Cu 的硫化物溶解，导致全岩 δ65Cu 升高;(3)富集 63 Cu 的硫饱和熔体（即硫化物熔体）降低了地幔橄榄岩的 δ65Cu;(4)氧化性流体交代导致橄榄岩中硫化物发生氧化分解反应，优先淋滤出富集 65 Cu 的 Cu2+,致使残留相亏损 65 Cu 。
图4.2.造山带橄榄岩和包体橄榄岩的δ65Cu和Cu含量图解。
数据来自 Ikehata and Hirata (2012), Liu et al. (2015), Savage et al. (2015) 和 Huang et al. (2017)
迄今为止，人们对地幔 Mg 同位素的了解主要来自尖晶石相橄榄岩（ <60km ），而几乎没有对来自更深部地幔的研究。我们分析了南非 Kaapvaal 和Siberian 克拉通的石榴橄榄岩及共存单矿物的 Mg-Fe 同位素。发现浅部和深部上地幔的 Mg-Fe 同位素组成之间并不存在明显的差异（ δ26Mg = ‒0.225 ± 0.037‰, δ56Fe = ‒0.003 ±0.068‰, 图4.3 ），这将我们对上地幔同位素组成的了解从 60km 拓展到 180km 。我们还发现不同样品中矿物之间存在平衡和不平衡 Fe-Mg 同位素分馏，揭示了古老克拉通岩石圈地幔的形成和交代历史。
图4.3 石榴石橄榄岩全岩以及组成矿物橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和石榴石δ26Mg和δ56Fe随深度的变化。
灰色区域表示全岩平均δ26Mg和δ56Fe值。随着深度的增加，石榴石与橄榄石/斜方辉石之间的Mg同位素分馏值逐渐减小。
为了精确制约硅酸盐地球的 V 同位素组成和地幔熔融过程中 V 同位素的分馏行为，我们测定了蒙古中部 Tariat 地区的包体橄榄岩以及不同时代科马提岩的 V 同位素组成。结果 ( 图 4.4 ) 显 示：(1)地幔部分熔融不会导致显著的 V 同位素分馏；(2)科马提岩具有均一的 V 同位素组成，说明地幔 V 同位素组成随时间没有发生明显改变;(3)硅酸盐地球的 δ51VAA= ‒0.90 ± 0.08‰ (2SD ，n = 24）。该研究为利用 V 同位素研究行星形成、地幔演化等科学问题提供了理论基础。
图4.4 橄榄岩和科马提岩δ51V和V含量图解。
火成碳酸岩是幔源岩浆岩，其 Ba 同位素研究可为碳酸岩浆作用过程中 Ba 同位素的分馏及地幔的 Ba 同位素组成提供制约。我们测量了东非裂谷、格陵兰、加拿大和德国等地火成碳酸岩及共生的幔源硅酸岩样品的 Ba 同位素组成，结果显示绝大多数样品的 δ137/134Ba 较均一(-0.07 ~ +0.09‰，图 4.5)，且与OIB的变化范围(-0.07 ~ +0.08‰； Huang et al., 2015)一致。这表明碳酸岩浆作用过程中 Ba 同位素的分馏较小，因此火成碳酸岩的 Ba 同位素组成直接反映其地幔源区的组成；由此获得的地幔平均 δ137/134Ba = +0.02 ± 0.06‰ (2SD ， n = 30)。
图4.5. 火成碳酸岩样品的 δ137/134Ba–Ba 含量图解。
灰色条带显示 OIB Ba同位素组成的变化范围（ δ137/134Ba = -0.07 ~ +0.08‰； Huang et al., 2015 ）；样品 Ba含量据 Halama et al. (2007, 2008)。
部分熔融和硅酸盐岩浆演化不会产生显著的 Mg 同位素分馏。地表碳酸盐具有非常低的 δ26Mg ( 可低至 ‒5.5‰ ），显著低于地幔的 δ26Mg (‒0.25 ± 0.07‰) 。为了验证 Mg 同位素是否能够有效示踪深俯冲进入地幔的碳酸盐所形成的熔体，我们研究了中国东部华南新生代玄武岩，发现它们的 δ26Mg = ‒0.60 ~ ‒0.30‰ ，显著低于地幔值。其 δ26Mg 与部分熔融敏感指标（例如 Sm/Yb 和 Nb/Y ）呈负相关性，说明地幔源区经历了富集 24 Mg 的碳酸盐熔体的交代作用。结合 Sr 同位素数据，我们进一步证实中国东部新生代玄武岩地幔源区中，再循环的碳酸盐主要为菱镁矿（图 4.6a ）。进一步，根据白云石 = 菱镁矿 + 文石反应分解线、地幔绝热线和碳酸盐化橄榄岩固相线之间的关系，制约了碳酸盐化橄榄岩初始熔融深度在 300‒360 公里（图 4.6b ）。
图4.6. (a) 中国东部 <110Ma 玄武岩 δ26Mg 和 87 Sr/86Sr图解;(b)白云石 = 菱镁矿 + 文石反应分解线、地幔绝热线和碳酸盐化橄榄岩固相线之间的关系。 A 和 A’分别代表 300 和 360公里深度。
