巖漿演化過程中Fe同位素分餾研究進(jìn)展

魏錫萍

摘 要：本文對(duì)巖漿演化過程中鐵同位素的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。由于巖漿演化過程的復(fù)雜性，諸多學(xué)者對(duì)于各個(gè)過程鐵同位素的行為存在較多爭(zhēng)議。不同學(xué)者在解釋巖漿演化過程中鐵同位素的分餾機(jī)理時(shí)有不同看法。主要涉及到分離結(jié)晶作用，流體出溶作用，擴(kuò)散作用和部分熔融作用。

關(guān)鍵詞：巖漿演化;鐵同位素;研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：P597;P618.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0216-02

0 引言

近年來，同位素分析測(cè)試技術(shù)方法越來越受到青睞，其中Fe同位素體系已經(jīng)在地學(xué)研究領(lǐng)域顯示出優(yōu)越性，成為具有巨大應(yīng)用前景的一種新的地球化學(xué)手段。巖漿活動(dòng)對(duì)于成巖成礦的具有著重要的意義，而由于巖漿組分復(fù)雜，地下的溫壓條件多變，構(gòu)造活動(dòng)等其他地質(zhì)作用均會(huì)對(duì)巖漿活動(dòng)有著不同程度的影響，因此對(duì)巖漿活動(dòng)的研究往往需要傳統(tǒng)的主微量元素、稀土元素、傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素的聯(lián)合運(yùn)用。由于Fe同位素在巖漿作用過程中存在較為明顯的分餾行為，因此在解決巖漿演化的諸多問題上往往更有優(yōu)勢(shì)。

1 巖漿演化過程中Fe同位素分餾研究

大多數(shù)地殼火成巖的Fe同位素組成中56Fe/54Fe，相對(duì)于IRMM-014變化有限（0.09±0.08）‰;但在高硅（SiO2>70）火成巖中，重鐵同位素明顯富集（56Fe/54Fe比平均地殼火成巖增加0.5‰）相對(duì)于高硅火成巖Fe同位素分餾的研究，低硅火成巖的相關(guān)研究則較少。對(duì)于低硅巖體，已經(jīng)觀察到了重鐵同位素的富集，但由于低硅巖體的演化程度相對(duì)較低，因此所蘊(yùn)含的巖漿演化信息較少。但這都說明在巖漿演化過程中Fe同位素發(fā)生了顯著的分餾，而不同學(xué)者對(duì)分餾的原因提出了不同的解釋。現(xiàn)階段為解釋高硅火成巖中重Fe同位素的特征，諸多學(xué)者提出了以下四種可能的機(jī)制：

1.1 富輕Fe同位素礦物的結(jié)晶分異

Friedhelm von Blanckenburg等研究表明，對(duì)于SiO2含量較低（60～70wt.%）的花崗巖，也可以觀察到了重鐵同位素的富集現(xiàn)象。并測(cè)定了瑞士阿爾卑斯山鈣堿性Bergell巖體中巖石的Fe同位素組成，發(fā)現(xiàn)重Fe同位素富集，用簡(jiǎn)化模型法對(duì)單一巖漿巖體逐次進(jìn)行分析，將分餾原因歸因?yàn)榻Y(jié)晶分異。

Schuessler等[1]對(duì)磁黃鐵礦與硅酸鹽熔體在巖漿條件下的平衡鐵同位素分餾進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，磁黃鐵礦優(yōu)先結(jié)合輕鐵。并將原理歸因于氧化還原狀態(tài)和Fe在兩相中的配體的顯著差異。不過其他礦物相與硅酸鹽熔體之間的Fe同位素分餾還有待進(jìn)一步研究。

1.2 含輕Fe同位素的流體出溶

在巖漿的演化晚期，巖漿的結(jié)晶程度逐漸增高，體系壓力逐漸降低，巖漿的揮發(fā)分逐漸達(dá)到飽和，流體開始發(fā)生出溶，流體則多通過FeCl20、FeCl42-、FeCl4+等絡(luò)合物將一定含量的Fe帶出。Poitrasson and Freydier的研究[2]表明，高硅火成巖的δ56Fe值往往與SiO2的含量呈正相關(guān)關(guān)系，因此說明流體出溶作用使得大量輕Fe同位素被氯化物流體帶走，殘余成分則富集重Fe同位素。

有學(xué)者研究表明，磁鐵礦在高硅火成巖中不同于其他礦物，往往具有偏重的Fe同位素特征，而其余礦物的Fe同位素則與整體巖石成分接近，說明磁鐵礦與流體中的重Fe同位素發(fā)生了交換反應(yīng)（Heimann）。

Heimann等[3]研究表明，較高的δ56Fe值并非出現(xiàn)在所有高硅火成巖。而恰恰是那些高度演化的巖石上最明顯，這些巖石往往都發(fā)生了Fe2+流體的出溶作用，相比于分餾結(jié)晶作用，低56Fe/54Fe氯化亞鐵流體的損失才是最佳解釋。

Telus等[4]通過比較大范圍分異地殼巖石（混合巖、花崗巖和偉晶巖）的鐵同位素組成，并輔助以Zn、Mg、U同位素，認(rèn)為流體出溶作用是導(dǎo)致長(zhǎng)石巖，特別是偉晶巖中Fe同位素分餾的重要原因之一。

1.3 熱擴(kuò)散、化學(xué)擴(kuò)散

地質(zhì)體中的擴(kuò)散現(xiàn)象主要分為兩種，分別是熱擴(kuò)散現(xiàn)象和化學(xué)擴(kuò)散現(xiàn)象，溫度梯度是熱擴(kuò)散的動(dòng)力，濃度差則主要影響化學(xué)擴(kuò)散。Maoris等研究表明，長(zhǎng)英質(zhì)熔體中的Fe同位素對(duì)溫度變化非常敏感，高溫下使輕Fe同位素的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于重Fe同位素，因此中輕Fe同位素往往富集在高溫帶，而重Fe同位素則主要集中在低溫端元。

Zambardi T等[5]研究表明，F(xiàn)e、Mg同位素往往在基性巖中的礦物與熔體之間有著相反的擴(kuò)散行為，進(jìn)而導(dǎo)致礦物中Mg同位素與Fe同位素通常呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性，這與Mg離子和Fe離子由于一定的相似性而在礦物中出現(xiàn)類質(zhì)同象現(xiàn)象有著密切的關(guān)系，如果礦物中有大量的Fe同位素進(jìn)入，則一定會(huì)有大量的Mg同位素進(jìn)入熔體中，這被報(bào)道為Mg、Fe的互擴(kuò)散行為。

Zhu等[6]強(qiáng)調(diào)化學(xué)擴(kuò)散所引起的Fe同位素分餾機(jī)理，并提出動(dòng)態(tài)的、擴(kuò)散誘導(dǎo)的同位素分餾模型解釋了重Fe同位素在A型花崗巖中富集的現(xiàn)象。

1.4 部分熔融

Shahar等研究表明，部分熔融作用中所產(chǎn)生的Fe同位素分餾現(xiàn)象，主要與不同價(jià)態(tài)的Fe在熔體相中與殘余相中的相容性差異所致。三價(jià)鐵在地幔橄欖巖的部分熔融過程中，相對(duì)二價(jià)鐵表現(xiàn)出明顯的不相容性，二價(jià)鐵留在殘余相中，三價(jià)鐵進(jìn)入熔體相，進(jìn)而使熔體，使得三價(jià)鐵在熔體中大量積聚，而二價(jià)鐵在殘余相中大量積聚。而三價(jià)鐵相對(duì)富集重Fe同位素，二價(jià)鐵相對(duì)富集輕Fe同位素，因此部分熔融作用導(dǎo)致熔體逐漸富集重Fe同位素，殘余相逐漸富集輕Fe同位素。

由于混合巖的形成往往與高級(jí)變質(zhì)作用過程中的部分熔融過程密切相關(guān)，因此對(duì)混合巖中Fe同位素的研究往往能夠更好地揭示部分熔融作用中Fe同位素的分餾機(jī)理。混合巖中的暗色物質(zhì)代表殘余相，淺色物質(zhì)代表熔體相（Schuessler）。Xia Y[7]對(duì)混合巖的研究結(jié)果與前人的結(jié)論一致，混合巖中熔體相相對(duì)富集重Fe同位素，殘余相相對(duì)富集輕Fe同位素。Gajos N A[8]對(duì)這類現(xiàn)象進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，混合巖中熔體相的Fe含量很低，在淺色礦物中只有長(zhǎng)石明顯富集重Fe同位素，而且含F(xiàn)e量很低，但殘余相的Fe含量則很高，與原巖幾乎一致，F(xiàn)e同位素?cái)?shù)據(jù)也近乎一致，進(jìn)而又排除部分熔融過程中的長(zhǎng)石堆晶的影響，因此得出結(jié)論，地幔的部分熔融會(huì)導(dǎo)致Fe同位素發(fā)生0.09‰左右的分餾，而且原因主要與三價(jià)鐵與二價(jià)鐵的不相容性所致。

但由于巖漿過程的復(fù)雜性，有學(xué)者對(duì)部分熔融過程中Fe同位素的分餾機(jī)理提出異議，Xu[9]等對(duì)混合巖熔體相與殘余相的Fe同位素及Fe含量測(cè)試表明，殘余相與熔體相的三價(jià)鐵含量幾乎相同，但Fe同位素仍然呈現(xiàn)顯著的分餾，這說明與不同價(jià)態(tài)的Fe在熔體中的相容性是無關(guān)的，并提出在這主要是熔體的差異影響了鐵-氧鍵在不同熔體中的鍵能，進(jìn)而產(chǎn)生了Fe同位素的分餾。

2 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)已查明Fe同位素的分餾主要與以下幾個(gè)巖漿演化過程有關(guān)，分別是分離結(jié)晶作用，流體出溶作用，擴(kuò)散作用和部分熔融作用。并且目前對(duì)高硅（SiO2>70%）火成巖的研究已經(jīng)較為成熟，基本的理論框架已經(jīng)建立，但在一些問題上不同學(xué)者仍然存在一定的分歧。但由于巖漿演化過程的復(fù)雜性，使得在諸多學(xué)者對(duì)于各個(gè)過程Fe同位素的行為存在較多爭(zhēng)議，在一些問題上仍然爭(zhēng)執(zhí)不下，因此筆者有必要對(duì)低硅火成巖展開Fe同位素分餾機(jī)理的研究，以便于得出更具有普適性的結(jié)論，完善現(xiàn)有Fe同位素體系。

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Research Progress on Iron Isotope Fractionation During Magmatic Evolution

WEI Xi-ping

（Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan ?610059）

Abstract：This paper summarizes the research on iron isotope in magmatic evolution. Due to the complexity of magmatic evolution， there are many controversies about the behavior of iron isotopes in various processes. It shows that different scholars have different views on the fractionation mechanism of iron isotope in the progress of magmatic evolution. It mainly involves separation crystallization，fluid dissolution，diffusion and partial melting.

Key words：Magmatic evolution; iron isotope; research progress