Mg同位素體系在殼—幔演化中的應用與展望

唐宗源

河北地質大學地質調查研究院，河北石家莊050031

1 Mg同位素簡介

Mg是地球上第四豐富的元素，主要（>99%）存在于地幔中，是地幔礦物（橄欖石和輝石）的重要組成元素。在地殼中，Mg主要存在于輝石、角閃石和云母等礦物中。

在Mg的3個穩定同位素中（24Mg、25Mg和26Mg），26Mg和24Mg間質量較大（~8%[1]），這說明Mg同位素可以很好示蹤地質演化過程。最近，隨著多接收電感耦合等離子體質譜儀（MC-ICPMS）的應用普及[2]，Mg同位素測試精度可達0.1‰（2SD）或更高[3-5]。Mg同位素測試方法通常采用“樣品-標樣交叉技術”進行校正[7]，標準參考物質多用DSM-3、Cambridge?1作為新的Mg同位素標準參考物質[8]。

Mg同位素在高溫過程和低溫過程中的分餾不同，這與其他穩定同位素分餾機制類似（圖1）。目前，Mg同位素地球化學示蹤主要取得如下進展：（1）建立了地球和地外星系儲庫的Mg同位素組[8-12]；（2）Mg同位素深部再循環[5，13]；（3）Mg同位素分餾的熱擴散過程和實驗對化學擴散中的研究[15-16]；（4）Mg同位素的分餾在地表風化和巖漿分異等地質過程中的行為[4，10，11，14]。

圖1 鎂同位素在地球與地外星系儲庫主要分布[11]Fig.1 Magnesium isotopic distribution in major extraterrestrial and terrestrial reservoirs.

2 Mg同位素體系在殼—幔演化中的應用

2.1 地幔Mg同位素體系

地幔Mg同位素研究中的三個關鍵科學問題是：（1）地幔的Mg同位素組成是否均一；（2）橄欖石和輝石是否存在Mg同位素分餾；（3）地幔的Mg同位素組成是否與球粒隕石相同[3]。

不同學者通過對全球橄欖巖的Mg同位素研究均顯示地幔具有均一性特征[9，16]，但一些強交代捕虜體（如異剝輝石橄欖巖和輝石）具有不同的同位素組成，可能反映了地幔交代過程中的同位素分餾。對中等程度交代地幔包體（異剝輝石橄欖巖和輝巖）的研究發現，在巖石和礦物尺度上都有很大的Mg同位素變化，這被解釋為反映了地幔交代過程或寄主巖漿中包體運移過程中Mg同位素分餾[18-20]。

2.1.1 克拉通榴輝巖

研究人員對來自西非和南非的低和高MgO克拉通榴輝巖的鎂同位素研究顯示出Mg同位素組成平均比地幔輕的特征[20]。此外，低鎂含量和高鎂含量的榴輝巖均表現出相似的同位素變化。因此，Mg同位素的明顯變化反映了源區特征，并與它們來自俯沖蝕變地殼的來源相一致。這些觀測結果不僅進一步證實了俯沖洋殼是克拉通榴輝巖的成因，而且表明俯沖后的蝕變洋殼仍具有非常不均勻的Mg同位素組成。因而俯沖洋殼具有不均勻的Mg同位素特征在俯沖之后仍然能夠保存[21]。

2.1.2 大洋玄武巖

由地幔部分熔融造成的大洋玄武巖經歷了不同程度的分異。Teng等[10]對夏威夷Kilauea Iki熔巖湖中的玄武巖分異過程中Mg同位素的行為進行了系統的研究，從富含橄欖石的堆晶體到高度分異的玄武巖，其MgO含量范圍變化范圍很大（26.9wt%~2.37wt%），并且具有與原始巖漿相似的Mg同位素組成，表明在≥1 055℃的溫度下，晶體熔體分餾過程中缺少鎂同位素分餾。因此，海洋玄武巖的Mg同位素組成可以用來約束其地幔源區性質。

2.1.3大陸玄武巖

大陸玄武巖具有比大洋玄武巖（δ26Mg=-0.26‰±0.07‰）變化更為寬泛的Mg同位素組成，部分研究人員認為輕Mg同位素組成的玄武巖是由碳酸巖的俯沖再循環引起[11]，但地幔中的Mg含量高于地殼，因此質量平衡對深部碳循環解釋大陸玄武巖Mg同位素特征提出很大的挑戰。有關大陸玄武巖低Mg同位素特征，可以用碳酸巖交代的榴輝巖的熔體（較高的Mg含量）與尖晶石相橄欖巖的熔體混合來解釋[20]。

大陸玄武巖的同位素研究可能會揭示該次大陸巖石圈地幔的組成和演化以及殼—幔相互作用。Yang 等[22]首次對華北克拉通陸相玄武巖的鎂同位素系統進行了研究，阜新和太行玄武巖（＜110 Ma）的Mg同位素組成比義縣玄武巖（>120 Ma）更輕（圖2）。結合Ce/Pb，Nb/U比和Sr-Nd-Pb同位素它們反映了地幔源Mg同位素組成在~120 Ma時的變化，可能是由華北克拉通之下太平洋地殼俯沖引起的。

圖2 華北克拉通大陸玄武巖的Mg和Nd同位素組成[23]Fig.2 Mg and Nd isotopic compositions of continental basalts from North China Craton

華北克拉通下方的上地幔被來自俯沖板塊的熔體交代。這種非均質性和同位素輕地幔的熔融作用產生了華北克拉通大陸玄武巖中鎂同位素的變化。隨后對華南克拉通大陸玄武巖的研究也揭示了大量輕鎂同位素變化，具有低的δ26Mg玄武巖被解釋為同位素輕的碳酸鹽地幔不完全部分熔融的結果，這也是太平洋板塊俯沖的結果[24]。

2.2 洋殼與陸殼Mg同位素體系

2.2.1 洋殼

海洋沉積物和蝕變洋殼的Mg同位素組成十分不均勻，并且洋殼的俯沖作用使不同Mg同位素再循環到進入地幔中。盡管對大洋玄武巖蝕變的研究仍然有限，但現有的數據表明，它們的鎂同位素組成非常不均勻，可以與大陸玄武巖化學風化過程中觀察到的同位素分餾程度相媲美。黃康俊[24]系統地研究了馬里亞納海溝外側的蝕變玄武巖的鎂同位素組成，這些樣品的鎂同位素組成變化很大（圖3），表明海底蝕變期間鎂同位素分餾很大。同樣，樣品的MgO含量和δ26Mg值均與Fe2O3/CaO比值呈正相關，表明富鐵次生礦物（如皂石）和碳酸鹽巖的形成是地殼低溫蝕變過程中鎂同位素分餾的主要原因。

圖3 馬里亞納海溝外側的蝕變玄武巖δ26Mg-F2O3/CaO協變圖解[12]Fig.3 Correlation of δ26Mg with Fe2O3/CaO for altered oceanic basalts from the Mariana trench

2.2.2 陸殼

鎂同位素組成在大陸地殼中也是高度不均勻的（圖4）。早期研究上地殼鎂同位素組成的嘗試主要集中在花崗巖和相關的富鎂礦物上[9，25]。盡管這些花崗石是通過不同程度的部分熔融和分離結晶形成的，元素和礦物成分差異很大，但它們的Mg同位素組成卻難以區分（圖5），總體上與地幔組成相似。因此，無論是全巖還是礦物分離結晶資料都表明I型花崗巖分異過程中Mg同位素的有限分餾作用，因此I型花崗巖的Mg同位素組成可用于示蹤物源非均質性。Shen 等[26]通過分析美國南加州I型花崗巖發現其δ26Mg值的變化范圍為-0.40‰~+0.44‰，且與巖石的Sr、Pb、O等同位素呈正比例關系，暗示該期I型花崗巖的巖漿源區含有“循環”古老地殼物質。在S型花崗巖的生產過程中，當石榴石為穩定相時，通過深部地殼中的變質泥質巖部分熔融，Mg同位素可以顯著分餾[21]。再者，A型花崗巖（中國東北）的Mg同位素組成非均一，δ26Mg值在?0.28到+0.34之間[14]，這被解釋為下地殼源區不均一的結果，源區非均質性是由古老地殼物質和可變的鎂同位素成分產生的。這一變化很可能是某些經歷了地表風化過程并發生明顯Mg同位素分餾的物質“循環”進入下地殼形成的[14，26]。另外，碳酸鹽巖的鎂同位素組成較輕，而硅酸鹽具有較重的Mg同位素組成。因此，Li等[13]通過對上地殼巖石進行全面和詳細的分析認為，上地殼的Mg同位素組成具有顯著的不均一性，上地殼巖石中鎂的同位素變化反映了大陸風化過程中極端的鎂同位素分餾。

圖5 大陸上地殼巖石δ26Mg-SiO2協變圖解[13] Fig.5 δ26Mg vs.SiO2 for the upper crustal rocks

對于下地殼的Mg同位素組成，Teng等[26]通過研究北昆士蘭州的麻粒巖包體，發現它們的Mg同位素組成非常不均勻。Wang等[20]分析了意大利西北部一套角閃巖—麻粒巖相變質泥質巖以及其中的黑云母和石榴石的Mg同位素。結果表明變質作用過程中變質泥質巖的Mg同位素組成是一個接近封閉的體系，因此，伴隨著礦物δ26Mg值的增加，石榴石和黑云母模式的變化使鎂同位素組成趨于一致。黑云母中Mg同位素的系統變化表明，在黑云母脫水熔融過程中，熔體和殘余物之間可能存在Mg同位素分餾，這使得Mg同位素成為地殼熔融和花崗巖成巖有效的示蹤劑。Yang 等[28]系統研究了來自中國東部高級變質巖和麻粒巖捕虜體，以約束中、下大陸地殼的鎂同位素組成。樣品所代表的中、下地殼具有非均一的δ26Mg值，反映了其原巖的非均一性。麻粒巖捕虜體采樣的深部地殼高度不均勻，δ26Mg變化很大（圖4），這反映了源巖的非均質性（化學風化的上地殼物質）和深部地殼流體交代作用。

圖4 上、中、下大陸地殼的鎂同位素組成[11]Fig.4 Magnesium isotopic composition of the upper, middle and lower continental crust

劉盛遨[28]對中國中東部中生代埃達克質巖開展了系統的Mg同位素研究。研究表明大別山低鎂埃達克質巖與長江中下游及徐淮地區高鎂埃達克質巖具有與地幔相似的Mg同位素組成。這說明大別山加厚鎂鐵質下地殼主要由地幔起源的玄武質下地殼組成，然而Mg同位素并未隨拆沉下地殼部分熔融的熔體與地幔反應過程中Mg和MgO顯著提高而明顯變化，而顯示與地幔（如MORB和OIB）Mg同位素組成相匹配，而在高溫下熔體地幔反應過程中Mg同位素快速的擴散平衡將進一步使熔體的Mg同位素組成近似地幔值。綜上，高溫硅酸鹽巖漿分異過程中Mg同位素的分餾作用有限，火成巖和變質巖的Mg同位素組成與海洋玄武巖相似。因而，即便在低溫水—巖相互作用期間發生大的Mg同位素分餾，但地殼仍具備相似地幔的鎂同位素成分。

2.3 高溫Mg同位素分餾

目前對高溫下地幔橄欖巖包體中各種礦物之間的Mg同位素分餾機制仍存在爭論。例如共生的橄欖石和輝石之間的Mg同位素分餾問題[29]。導致這些差異的原因可能包括2個方面：（1）不同實驗室之間分析精度的差異可能導致不同的結論；（2）這些報道的橄欖巖包體具有不同的平衡溫度，礦物之間的同位素分餾可能在不同的溫度下平衡，因而同位素分餾值也不相同。

通過對東南澳大利亞、大別山I型花崗巖及中國東部“花崗巖組合樣品”的研究發現：樣品中SiO2和MgO變化范圍較明顯，但其Mg同位素組成與大洋玄武巖Mg同位素組成的變化范圍相近，說明Mg同位素分餾在中酸性巖漿分異過程中不明顯[13]。因此，高溫部分熔融形成巖漿及其后的巖漿分異過程中平衡Mg同位素分餾不顯著，可以利用Mg同位素來示蹤巖漿源區。

2.4 鎂同位素在巖漿分異過程中的行為

鎂在地幔熔融和巖漿分異過程中是相容元素，巖漿中MgO含量一般隨巖漿分異而降低。然而，在地幔部分熔融和玄武巖巖漿或花崗質巖漿分異過程中，全巖的鎂同位素組成沒有明顯變化。火成巖巖漿分異過程中缺乏鎂同位素分餾，表明玄武巖和花崗巖可以用來研究其源區的同位素變化[9]。

與硅酸鹽巖漿作用相反，最近報道了碳酸鹽巖漿作用過程中大量的Mg同位素分餾[31]。Li 等[31]通過對坦桑尼亞鈉質碳酸鹽巖和過堿性硅酸鹽巖研究發現發現，與硅酸鹽—碳酸鹽巖液體不混溶無關的硅酸鹽巖石具有與地幔值相近的δ26Mg值，而于液體不溶混而產生的源自硅酸鹽熔體的樣品具有較重的Mg同位素組成，結合質量平衡計算，表明碳酸鹽熔體分離結晶過程中Mg同位素分餾，相對于分餾的碳酸鹽礦物，重金屬Mg同位素富集在殘余熔體中。總的來說，鎂同位素分餾在硅酸鹽—碳酸鹽液體不混溶和碳酸巖熔體的分離結晶過程中都可能發生，這使鎂同位素成為與碳酸巖成巖有關的過程的潛在有用的示蹤劑[30]。

3 展望

本文總結的研究表明，地質過程中存在著明顯而系統的鎂同位素分餾。由于硅酸鹽巖漿分異和變質脫水過程中Mg同位素分餾有限，在低溫過程中（特別是在碳酸鹽中）產生的大的Mg同位素變化可以在俯沖過程中幸存下來，形成一個明顯的地幔端元。因此，Mg同位素可作為地幔交代、俯沖碳酸鹽巖和克拉通榴輝巖和大陸玄武巖成因的示蹤劑。以下是鎂同位素地球化學領域最重大的突出問題：

（1）地幔Mg同位素非均質性的成因仍需進一步研究。特別是，如果大陸玄武巖中鎂同位素的巨大變化是由俯沖碳酸鹽交代的橄欖巖的部分熔融引起的，則不同碳酸鹽含量的橄欖巖應具有不均勻和輕的鎂同位素組成。

（2）鎂同位素來源中摻入了改變的洋殼和俯沖沉積物組成可能不同于MORB和其他OIB。它們的δ26Mg值取決于俯沖沉積物的性質，其中富含硅酸鹽的同位素比MORB更輕，富含碳酸鹽的沉積物比MORB更輕。

（3）由于源區不同，某些島弧巖漿巖的鎂同位素組成與MORB不同。例如，由于石榴石的Mg同位素組成比熔體和輝石輕，如果殘留的石榴石在非模態部分熔融過程中對Mg含量起著重要的控制作用，則埃達克巖有望具有較高的δ26Mg值。盡管如此，除非它們包含來自俯沖板塊的大量Mg，否則大多數島弧熔巖應具有與MORB相似的鎂同位素組成。

（4）高精度原位鎂同位素分析的方法需要通過SIMS或LA-MC-ICPMS來建立，以快速檢驗礦物中的同位素分帶。

（5）雖然初步研究表明，大洋玄武巖的海底蝕變導致了較大的Mg同位素分餾，但Mg同位素分餾的確切方向和大小尚不清楚，需要進一步研究。

（6）前人對來自徐淮高Mg埃達克（質）巖中代表華北克拉通中、下地殼及下覆巖石圈地幔包體鎂同位素的研究表明，隨著深度的增加，壓力越大，會造成碳酸鹽巖的變質交代作用越來越強，表現出越來越輕的鎂同位素組成。蝕變洋殼Mg同位素組成主體仍近地幔值。因此，華北克拉通下地殼和洋中脊玄武巖具有顯著不同的Mg同位素組成。從這個方面看，Mg同位素具有區分高Mg埃達克（質）巖是洋殼還是陸殼成因的埃達克（質）巖的潛力。

（7）由于不同儲層具有不同的Mg同位素組成，鎂同位素有潛力為大陸弧安山巖形成過程的提供重要的約束。

（8）僅用單一Mg 同位素示蹤再循環碳酸鹽也面臨了新的問題，尤其是Mg同位素組成在許多碳酸鹽化榴輝巖和沉積碳酸鹽巖具有類似特征。為此，仍然需要去探索和發展新的能夠有效示蹤深部再循環碳酸鹽的同位素體系，用以彌補單一應用Mg同位素示蹤的不足之處。