Zr是典型的高场强元素，在地幔部分熔融过程中倾向于进入熔体相，因此其在地壳中的丰度远高于地幔；同时，Zr不易溶于水，且难以受到熔-流体交代以及低温蚀变等过程的改造。这些特性使得Zr元素在示踪岩浆起源、演化以及鉴别火成岩类型、判别构造环境等方面具有广泛的应用。近年来，得益于化学提纯方法的优化、双稀释剂法的推广以及质谱仪性能的改善，精确测试地质样品中质量分馏相关的Zr同位素组成已经得以实现(e.g., Inglis et al., 2018; Feng et al., 2020)。高精度的分析结果显示全岩和单矿物尺度的Zr同位素分馏分别可达0.6‰和5‰(Inglis et al., 2019; Guo et al., 2020; Ibañez-Mejia and Tissot, 2019; Zhang et al., 2019)，这使其在示踪岩浆分异演化方面具有广阔的前景。

然而，目前的工作仅限于对冰岛Hekla地区拉斑质岩浆体系中Zr同位素分馏行为的探究(Inglis et al., 2019)。该研究发现同源岩浆结晶分异过程中，只有当锆石开始饱和结晶时(SiO₂ = ~65 wt.%)，才会出现显著的Zr同位素分馏，即富集轻Zr同位素的锆石从熔体中中分离，导致残余熔体逐渐富集重的Zr同位素组成。考虑到岩浆的初始成分对结晶分异的矿物种类以及出现锆石饱和结晶的时期具有重要的影响(图1)，上述规律是否适用于其他成分不同的岩浆体系尚未可知。

图1 石岛碱性杂岩体和冰岛Hekla拉斑质岩石的Harker图解。浅红色和浅蓝色趋势线分别指示碱性岩浆和拉斑质岩浆结晶分异演化轨迹；蓝色虚线指示了主微量元素变化的转折点。黑色箭头指示的是矿物结晶分离的方向。Ol=橄榄石 Cpx=单斜辉石 Pl=斜长石 Kfs=钾长石 Ap=磷灰石 Ti=榍石 Mag=磁铁矿。

形成于晚三叠世的石岛碱性杂岩体是扬子板块与华北克拉通碰撞后的产物。它主要由辉长岩、二长闪长岩、辉石正长岩、角闪石正长岩、石英正长岩和钾长花岗岩以及包裹其中的镁铁质包体和脉体组成，这些岩石的侵位时代较为接近(~215-200 Ma)且均呈现出相似的放射性同位素特征，是典型的碱性岩浆多阶段分异结晶的产物(e.g., Xu et al., 2016)，为探究Zr同位素在碱性岩浆结晶分异过程中分馏行为提供了理想对象。

图2 (a)Zr含量、(b)Zr/Hf比值和(c)Zr同位素组成与SiO₂之间的协变关系。浅红色和浅蓝色趋势线分别指示了碱性岩浆和拉斑质岩浆体中不同地球化学指标的演化轨迹。原始地幔和大陆上地壳Zr同位素组成分别源自于Tian et al. (2020)和Tian et al. (2021). 图中可见两类岩浆达到锆石饱和的阶段较为接近，且Zr同位素开始分馏均开始于~65 wt.% SiO₂，但两者的Zr同位素演化轨迹存在明显区别。

中国地质大学(武汉)壳幔交换动力学科研团队博士后袁禹在郭京梁副教授及宗克清教授的指导下，与巴黎地球物理学院Frédéric Moynier教授合作，通过分析石岛碱性杂岩体中代表性样品的Zr同位素组成，发现岩浆演化至~65 wt.% SiO₂时，岩浆达到了锆石饱和状态，且Zr同位素开始分馏，这与Hekla拉斑质岩浆中Zr同位素的分馏行为较为相似(图2)。然而，两类岩浆体系中，Zr同位素的演化趋势却存在细微的差异，即在高硅阶段碱性岩浆中Zr同位素分馏更为缓慢(图2c)。假设锆石与熔体间以瑞利平衡分馏为主，我们计算出碱性岩浆达到锆石饱和结晶时其与熔体间的分馏系数(α_zircon-melt = 0.9998)比拉斑质岩浆(α_zircon-melt = 0.9995)更接近理论值(α_zircon-melt = 0.999947，T = 930℃; Chen et al., 2020)，这在一定程度上解释了它们之间Zr同位素分馏行为的微小差异。其本质原因可能是因为碱性岩浆中水含量更高(因为石岛碱性杂岩体中富含角闪石、黑云母等含水矿物)，使得Zr元素的扩散速率更快，更容易实现平衡分馏。

前人通过分析黄土、冰碛岩及海洋沉积物的Zr同位素组成，估计大陆上地壳(SiO₂ = 67 wt.%)的Zr同位素组成为δ⁹⁴Zr = 0.077 ± 0.058‰ (n = 44; 2SD)(Tian et al., 2021)，这明显低于利用拉斑质岩浆体系中Zr同位素的演化轨迹推测的值(δ⁹⁴Zr = 0.13‰)。但是若以碱性岩浆中Zr同位素的演化轨迹来推算，所得的Zr同位素组成(δ⁹⁴Zr = 0.06‰)与上述推荐值在误差范围内几乎一致。因此，本项研究较好的解释大陆上地壳Zr同位素组成偏轻的成因。考虑到大陆地壳主要以钙碱性岩浆为主，而Zr同位素在钙碱性岩浆体系中的分馏行为尚缺乏研究，更多的工作亟需开展以期更深入理解大陆地壳的分异演化过程。

文章信息：

Yuan, Y., Guo, J.-L.*, Zong, K.Q., Feng, L.P., Wang, Z.C., Moynier, F., Zhang, W., Hu, Z.C., Xu, H.J., 2022. Stable zirconium isotopic fractionation during alkaline magma differentiation: Implications for the differentiation of continental crust. Geochimica et Cosmochimica Acta 326, 41-55, https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.03.035

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