石榴石如何控制榴辉岩深熔和埃达克熔体演化时的铁同位素分馏？

目前关于石榴石对熔体Fe同位素组成的影响还存在着争论。一部分学者指出源区石榴石残余是部分洋岛玄武岩和低镁埃达克岩富集重Fe同位素的主要因素(He et al., 2017,Sossi and O'Neill, 2017)，而一部分学者认为源区石榴石残余对原始岩浆的Fe同位素组成影响十分有限，但是石榴石在高压下的分离结晶能够导致下地壳底部岩浆的Fe同位素分馏(Li et al., 2020)。前人的研究主要是根据相关的地球化学指标(例如Sr/Y和(Dy/Yb)_N比值)与δ⁵⁶Fe之间的关系来讨论石榴石效应，缺乏石榴石残余和分离结晶最直接的岩相学观察证据。因此，非常有必要选择岩相学证据显示有石榴石残余和分离结晶的自然样品，开展Fe同位素研究，进一步厘清石榴石对熔体Fe同位素组成的影响程度。

在中国西北的柴达木超高压变质带内，榴辉岩、石榴角闪岩、含石榴石浅色体、不含石榴石浅色体和石榴石堆积体广泛出露(图1)。矿物学、岩相学、岩石学和地球化学证据(Zhang et al., 2008, 2015)显示，石榴角闪岩是榴辉岩的退变质产物，含石榴石浅色体是榴辉岩部分熔融的产物，不含石榴石的浅色体和石榴石堆积体是含石榴石的浅色体通过石榴石分离结晶和堆积形成。这一独特的样品组合可以用来研究源区石榴石残余和石榴石分离结晶对熔体Fe同位素组成的影响。 

图1.  (a)样品野外露头, (b)石榴角闪岩, (c)含石榴石浅色体, (d)不含石榴石浅色体, (e)石榴石堆积体, (f)新鲜榴辉岩, (g)退变质榴辉岩。

图2所示，原生榴辉岩中绿辉石和石榴石之间的Fe同位素分馏值(Δ⁵⁶Fe_Omp-Grt = 0.29~0.37‰)变化范围较小，反映矿物间达到了Fe同位素平衡；而退变质榴辉岩中矿物的δ⁵⁶Fe值和矿物间的Δ⁵⁶Fe_Omp-Grt值均表现较大的变化范围, 说明退变质流体与矿物反应不仅能够影响矿物的Fe同位素组成，而且能够导致矿物间Fe同位素不平衡。

图2. 榴辉岩中绿辉石和石榴石之间的Fe同位素分馏。

图3所示, 榴辉岩和石榴角闪岩具有相似的δ⁵⁶Fe~0.05‰，指示退变质流体没有改变全岩的Fe同位素组成。含石榴石的浅色体相比榴辉岩和石榴角闪岩具有较高的δ⁵⁶Fe~0.09‰，这可能是榴辉岩深熔过程中，亏损⁵⁶Fe的石榴石在源区残余和富集⁵⁶Fe的绿辉石分解进入熔体共同作用的结果。

 图3. 全岩δ⁵⁶Fe与(a)Fe³⁺/∑Fe, (b) FeO_T, (c)SiO₂和(d)(Na+K)/Al的关系图解。

图3所示，不含石榴石的浅色体相比含石榴石的浅色体具有偏重的Fe同位素组成，同时具有偏高的SiO₂含量，偏高的Fe³⁺/∑Fe和(Na+K)/Al比值，以及偏低的FeO_T含量，说明石榴石分离结晶和熔体成分变化共同导致岩浆富集重Fe同位素。根据质量平衡计算，由含石榴石的浅色体形成不含石榴石的浅色体，需要大约20%的石榴石分离结晶。利用瑞利分馏模型，我们发现当石榴石和长英质熔体之间的Fe同位素分馏系数α_Grt-melt = 0.999958 ~ 0.999988时，能够很好地重现石榴石分离结晶导致的浅色体Fe同位素变化(图4)。

图4. 假设石榴石与熔体的分馏系数(α_Grt-melt)分别为0.999958、0.999968、0.999978和0.999988。计算得到熔体的δ⁵⁶Fe值与不含石榴石浅色体的δ⁵⁶Fe值吻合良好。

研究成果以“Iron isotopic fractionation during eclogite anatexis and adakitic melt evolution: insights into garnet effect on Fe isotopic variations in high‑silica igneous rocks”为题，于2022年2月发表在国际著名期刊Contributions to Mineralogy and Petrology上。论文第一作者是中国科学技术大学黄方教授课题组硕士研究生梁文力，通讯作者是中国科学技术大学黄建副教授。合作者包括北京大学张贵宾教授和中国科学技术大学黄方教授。该项研究得到了国家科技部重点研发计划(2019YFA0708400)、国家自然科学基金委面上基金(41773002)和中国科学院青年促进会(2019449)联合资助。

论文信息：Liang, W.L., Huang, J., Zhang, G.B. and Huang, Fang. (2022) Iron isotopic fractionation during eclogite anatexis and adakitic melt evolution: insights into garnet effect on Fe isotopic variations in high-silica igneous rocks. Contributions to Mineralogy and Petrology 177:33.