GPL | 化学扩散产生的银同位素分馏

      动力学分馏能揭示非平衡过程（如扩散、晶体生长等）的重要机制，对理解岩浆演化、热液成矿等地质过程具有关键意义，还可以作为同位素速度计制约地质过程的时间。为此，需要研究稳定同位素的动力学扩散分馏行为，确定其控制因素，建立定量的扩散分馏理论模型。

      银（Ag）作为亲硫性、中等挥发性的过渡元素，其两个稳定同位素（¹⁰⁷Ag和¹⁰⁹Ag）在理解地球核幔分异、壳幔相互作用及岩浆热液成矿过程等方面展现出巨大潜力。扩散已被证实可引发显著的同位素分馏，且实验研究表明银在硅酸盐熔体中扩散较快，有利于其向热液流体与硫化物相迁移富集，从而促进银成矿作用。然而，目前尚无天然样品数据证实扩散对银同位素分馏的影响，而同位素扩散分馏的 β 因子的实验研究非常有挑战。

      本研究制备了两种主量元素相同、银浓度不同的无水玻璃柱并放于活塞圆筒压机中，在1473 K下扩散 9.5 分钟，在1273 K下扩散57.7 分钟。实验结束后，扩散玻璃在中国科学技术大学微纳研究与制造中心采用激光超精密加工系统刻蚀，切割为数个 200-300 μm 宽的长条（图1），在显微镜下用镊子取出，确保取样位置精准可控。

图1 样品采样情况

      同位素测试结果表明两个实验的 δ¹⁰⁹Ag 值呈现显著变化，获得两个实验的 β 因子分别为 0.274 ± 0.016和 0.317 ± 0.036（图2），是目前已报道的硅酸盐熔体中金属稳定同位素最大 β 因子。

图2 两组扩散偶实验Ag浓度及同位素扩散剖面

      这一特征源于Ag⁺作为大离子半径、低场强的一价阳离子，与硅酸盐熔体相互作用极弱，扩散行为近乎独立，具有已知最高的D_i/D_Si，进而导致极高的 β 因子。不同金属元素 β 因子与 D_i/D_Si具有良好的相关性，证实了此前研究提出的 β 因子受到离子和硅酸盐四面体扩散控制的理论假设（图3）。

图3实验测定β_i因子与D_i/D_Si之间的关系

      在实验测定了β的基础上，该研究构建了银同位素扩散分馏的数值模型（图 4）。花岗质岩浆在上升过程中流体出溶，银在流体与残余熔体间发生分配，基于质量守恒：

      模型预测岩浆上升与流体出溶过程中，银同位素扩散分馏可达 > 6‰，表明银同位素可有效示踪花岗质岩浆作用中的银迁移、岩浆混合及成矿过程。

图4岩浆上升与减压过程示意模型

      本研究首次通过实验测定了花岗质熔体中银同位素扩散分馏的 β 因子，填补了硅酸盐熔体中银同位素扩散分馏的研究空白，证实了动力学过程在岩浆—热液体系银同位素分馏中的重要作用。极高的 β 因子特征不仅深化了对金属元素在硅酸盐熔体中扩散行为的理解，更为自然体系中银同位素异常的解释提供了关键动力学参数，为厘清扩散与其他地球化学过程在成矿系统中的相对贡献奠定了基础。

该成果近期发表于地球科学领域著名学术期刊《Geochemical Perspectives Letters》。论文第一作者为中国科学技术大学博士生李舒婷，通讯作者为黄方教授。共同作者还包括中国科大特任副研究员张力、哥本哈根大学博士后方远和倪怀玮教授。本研究得到了国家自然科学基金(42330101)的支持。

文章信息: Li, S., Zhang, L., Fang, Y., Ni, H., Huang, F. (2025) Silver isotope fractionation by chemical diffusion in granitic melt. Geochem. Persp. Let. 38, 29–33.

论文链接: https://doi.org/10.7185/geochemlet.2552