高精度镁同位素数据揭示岩浆演化过程中的镁同位素分馏行为
近日，我院硕士研究生王思杰在黄方教授的指导下，对Mg同位素在洋中脊岩浆系统中的分馏行为进行了深入研究，通过高精度的Mg同位素数据，揭示了矿物分离结晶过程对残余熔体Mg同位素组成的影响。研究成果以“Magnesium isotope behavior in oceanic magmatic systems: Constraints from mid-ocean ridge lavas from the East Pacific Rise”为题发表于《Earth and Planetary Science Letters》上。
镁(Mg)是地球重要的基本组成成分之一。近十年来，虽然大洋玄武岩的Mg同位素已被广泛应用于理解地幔演化和壳幔物质循环，但是地幔部分熔融和矿物分离结晶对熔体Mg同位素组成的影响还不清楚，主要原因是Mg同位素测量精度不够高，难以鉴别岩浆过程中微小的Mg同位素分馏。
近年来黄方教授团队建立了基于t检验统计的测量方法，目前Mg同位素的分析精度已经优于0.03‰。在此基础上，研究团队测量了来自东太平洋洋隆北部(EPR, 9-10°N)和重叠扩张中心(9°N OSC)的洋中脊岩浆岩(图1)的Mg同位素组成，以研究玄武质熔体在分离结晶过程中Mg同位素的分馏行为。这些样品包括相对原始的玄武岩到演化的英安岩，其MgO含量从8.6 wt.%变化到0.8 wt.%，其δ26Mg从-0.27 ‰变化到-0.17 ‰, 表现出最初增加、随后持平、最后降低的趋势。这个趋势清楚地对应了分离结晶的三个阶段，其主导矿物依次为橄榄石+斜长石、单斜辉石+斜长石、钛磁铁矿+单斜辉石+斜长石。
研究团队使用同位素质量平衡模型，估计了主要含Mg矿物橄榄石(Ol)、单斜辉石(Cpx)以及钛磁铁矿(Ti-Mgt)与熔体间表观分馏系数Δ26Mgmineral-melt。模拟结果表明，当Δ26MgOl-melt ≈-0.10 ‰，Δ26MgCpx-melt ≈0.00 ‰，以及Δ26MgTi-Mgt-melt ≈0.20 ‰时，矿物结晶可以很好地解释样品中的Mg同位素变化(图2)。该研究的一个重要结论是，当使用幔源熔体的Mg同位素组成来约束其地幔源区组成时，需要考虑岩浆演化过程中分离结晶的影响。
论文第一作者是中国科学技术大学硕士研究生王思杰，通讯作者为黄方教授，共同作者还包括中国科学技术大学丁昕副研究员和康晋霆副教授，美国佛罗里达大学M.R. Perfit教授以及美国博伊西州立大学V.D. Wanless副教授。该研究受国家自然科学基金(42073007)资助。
图1 (a)东太平洋洋隆(EPR)北部的地理位置图。文中所测试的岩浆岩样品均来自EPR 9°50′N和重叠扩张中心(9°N OSC) (b)东太平洋洋隆(EPR)重叠扩张中心的具体构造图，包括东侧的伸展分支、西侧的后退分支以及被两分支环绕的中心重叠盆地。
图2 东太平洋洋隆(EPR)岩浆岩Mg同位素在分离结晶过程中的变化模型。黑线显示了在初始氧逸度为QFM和恒定压力为1.5kbar的情况下，根据MELTS计算的结晶历史，完美地再现了东太平洋洋隆(EPR)熔岩Mg同位素变化。标记为蓝色圆圈的样品(样品2746-14)经历铬铁矿的分离结晶产生了异常轻的Mg同位素组成。