近年来，金属稳定同位素逐渐成为重要的地球化学示踪手段之一，为地球的形成与演化、壳幔相互作用以及低温地表过程中的重大科学问题提供关键的信息。金属稳定同位素在地球演化过程中存在非平衡和平衡同位素分馏，其中岩浆过程中平衡同位素分馏受控于不同矿物相之间的平衡同位素分馏。因此，不同矿物相之间平衡同位素分馏因子和机理的研究是利用金属稳定同位素数据解决地质科学问题的基石。

目前研究不同矿物相之间的平衡金属稳定同位素分馏大致有三种方法：第一性原理计算、高温高压实验测定、和直接测定天然样品中矿物间的同位素差异。这三种方法都存在一定的不足：第一性原理计算的矿物是理想的晶体结构和简单的化学成分，与天然样品结构和组分具有一定的差距；高温高压实验方法获得的样品小且难于判断矿物之间是否达到同位素平衡；天然样品测定法的缺点是天然样品中同位素的平衡状态很容易被后期地质事件破坏。

Kaapvaal 克拉通Roberts Victor榴辉岩包体是被金伯利岩岩浆从不同深度的稳定克拉通岩石圈地幔快速携带到地表，具有矿物组成变化大、平衡的化学组成、和平衡温压的变化范围大等特点，是研究矿物相之间平衡金属稳定同位素分馏机理的理想的天然样品。澳大利亚麦考瑞大学和中国地质大学（武汉）合作对这些榴辉岩开展钙同位素研究，结合矿物的键长计算和以前发表的镁同位数据，探讨了石榴子石和单斜辉石之间的钙和镁平衡同位素分馏机理。研究发现石榴子石和单斜辉石之间的钙氧键长差异（ΔCa-O_Grt-Cpx）随着石榴子石的钙含量和平衡压力的增加显著增加(图1)，有趣的是，ΔCa-O_Grt-Cpx与温度校正的钙同位素分馏（Δ^44/40Ca_Grt-Cpx * T²/10⁶；去除温度影响）呈现很好的负相关(图1)。这些结果表明平衡压力和石榴子石的钙含量控制了键长的变化，从而影响平衡同位素分馏。温度校正的镁同位素分馏与平衡压力也具有负相关性，但是和矿物组成没有明显的相关性，指示了除了温度外压力是主要控制镁同位素分馏的因素。石榴子石镁氧键长随着石榴子石钙含量增加显示了大约0.02Å的升高，指示了组分很可能对矿物间平衡的镁同位素分馏也有微弱的影响。因此，除温度外，矿物组成和和压力都会显著影响矿物之间平衡钙和镁同位素的分馏（图2）。

图1：石榴子石中钙含量和平衡压力对石榴子石和单斜辉石之间Ca-O键长差异的影响（左图）；石榴子石和单斜辉石之间Ca-O键长差异与温度校正的Ca同位素分馏的相关性（右图）。

在微观矿物结构中的组成和压力变化影响矿物间金属稳定同位素分馏因子，从而控制宏观岩浆过程中同位素分馏行为。前人研究推测榴辉岩部分熔融过程可以产生具有低钙同位素的熔体，因此认为玄武岩的低钙同位素组成能够指示其源区具有榴辉岩。考虑矿物组成、温度和压力对同位素分馏因子的综合影响，我们模拟计算发现在榴辉岩部分熔融过程中熔体相和残余相的钙同位素都与初始值类似（图2），表明榴辉岩的部分熔融过程不会造成显著地钙同位素的分馏，改变了以前认为玄武岩的低钙同位素组成是由于源区具有榴辉岩的认识。这些研究结果表明了岩浆过程中的金属稳定同位素分馏行为受温度、矿物组成、和压力的综合影响。

图2：石榴子石中钙含量和平衡压力对矿物间钙同位素分馏的影响（左图）和模拟计算榴辉岩部分熔融过程中钙同位素分馏行为（右图）。

文章信息：

Chen, C.F.*, Huang, J.-X., Foley, S.F., Wang, Z.C., Moynier, F., Liu, Y.S.*, Dai, W., Li, M., 2020. Compositional and pressure controls on calcium and magnesium isotope fractionation in magmatic systems. Geochimica et Cosmochimica Acta 290, 257-270.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703720305573