吴洪杰:辉长岩-花岗岩接触边界由扩散导致的Fe-Mg同位素分馏【GCA,2018】

         高温过程中的Mg、Fe同位素分馏通常被认为是较为有限的。近年来,Mg、Fe同位素均被证实在高温下存在显著的平衡分馏(>0.5‰)和动力学分馏(>1.0‰)。火成岩样品中扩散导致的Mg、Fe同位素动力学分馏可用来推测冷却历史,是一个潜在的地质速度计。基性-超基性岩浆中橄榄石和熔体间会发生铁镁互扩散(受晶格结构约束,Mg2+ol ßà Fe2+ol,Mg和Fe的扩散方向相反),已被证实可产生显著的Fe-Mg同位素分馏,且其导致的独特的δ26Mg和δ56Fe负相关关系明显有别于已知同位素分馏结果(如平衡过程及热扩散等)。然而,在岩石尺度上是否存在可观测的Mg、Fe互扩散导致的Mg、Fe同位素分馏尚未见报道。

         针对这一科学问题,我校科学研究院博士研究生吴洪杰在导师何永胜副教授的指导下,对来自大别山的一处辉长岩-花岗岩接触边界进行了元素及Mg、Fe同位素的剖面研究,取得了重要认识。

         1、该接触边界辉长岩一侧的冷凝边以及花岗岩中的辉长质捕掳体表明二者几乎同时侵位。接触边界花岗岩一侧在16cm的范围内主微量元素均有明显变化(图1);

         2、δ26Mg从接触界面向花岗岩一侧逐渐降低(从-0.28±0.04‰到-0.63±0.08‰),而δ56Fe则逐渐升高(从-0.07±0.03‰到﹢0.25±0.03‰)(图2),二者呈现出明显的负相关性(图3);

         3、风化作用、分离结晶、机械混合、热扩散以及两液相间的化学扩散均无法解释这一负相关关系,δ26Mg和δ56Fe与Mg#的相关性表明Mg、Fe互扩散是产生所观察到的现象的根本机制。该机制要求发生扩散的两相至少有一相已经完全结晶,这与接触边界辉长岩一侧出现冷凝边一致。因花岗岩固结后,几乎所有的Mg、Fe都赋存于少量的基性矿物和氧化物中,被几乎不含Mg、Fe的石英和长石隔离,发生全岩尺度Mg、Fe扩散的可能性极低。该研究中的辉长岩-花岗岩接触边界扩散过程应发生于辉长岩固结、花岗岩还处于熔体或半固结状态。

         4、该研究利用菲克第二定律扩散方程进行的模拟计算表明,Mg、Fe互扩散可以解释实际观察的同位素剖面。δ26Mg和δ56Fe剖面的拟合,揭示扩散持续时间约为1.5-2.2个百万年,相对应的冷却速率为52-107℃每百万年。这一结果与北大别的抬升冷却历史吻合。

         研究表明Mg、Fe互扩散至少可在分米尺度上产生显著的Mg、Fe同位素动力学分馏,具有作为地质速度计的潜力。该研究同时也提醒在研究镁铁质包体、基性岩脉、层状岩浆岩等的Mg、Fe同位素时应充分考虑扩散导致的影响。

剖面上部分主微量元素变化

Distance=0为辉长岩和花岗岩接触边界,红色三角为花岗岩样品,空心绿色三角为冷凝边,实心绿色三角为远离接触边界的辉长岩。

2 MgFe同位素变化

b,d图为a,c图中黑色框选部分的放大图。图中蓝色曲线为扩散模拟计算曲线,黑色曲线为可以吻合观测数据的上、下限范围

剖面样品的MgFe同位素负相关关系

         上述成果发表在国际地球化学领域一流期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》:Hongjie Wu, Yongsheng He*, Fang-Zhen Teng et al, (2017). Diffusion-driven magnesium and iron isotope fractionation at a gabbro-granite boundary. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2018, 222. [IF2016= 4.609].

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