吴洪杰:花岗岩类中矿物成分对矿物间铁同位素分馏的控制作用【GCA, 2017】

        因在部分熔融和岩浆分异过程中存在显著的分馏,铁(Fe)同位素可被用来示踪岩浆过程,而理解岩浆作用中的铁同位素分馏行为是利用铁同位素示踪岩浆过程的重要前提。

        高硅岩浆岩(SiO2 > 71 wt.%,平均δ56Fe = 0.218 ± 0.154‰)具有比中性岩浆岩更重的铁同位素组成(53 wt.% < SiO2 <71 wt.%,平均δ56Fe = 0.097 ± 0.126‰)。前人研究表明这可能与岩浆成分变化导致矿物-熔体间铁的分馏系数变化有关,即高硅熔体的铁氧键更强,与矿物间分馏系数增大,从而使矿物的分离结晶会更显著地改变剩余熔体的铁同位素组成。岩浆成分改变也会对岩浆中结晶的矿物的成分产生影响,从而可能对矿物间/矿物-熔体间铁同位素的分馏行为产生影响;这一效应前人研究甚少。长石虽然铁含量很低,但在高硅花岗岩中也是主要含铁矿物之一。长石中的铁以四配位Fe3+为主,可能具有较重的铁同位素组成,其堆晶/分离结晶可能会对高硅岩浆岩铁同位素组成产生显著影响。目前,前人文献尚无长石与其他矿物间的铁同位素分馏数据。

        最近,我校博士研究生吴洪杰,在科学研究院同位素地球化学实验室何永胜副教授的指导下,对来自大别山的典型I型花岗岩中的矿物进行了成分和高精度铁同位素分析,结合前人已发表数据,取得了重要认识。

        研究结果表明,I型花岗岩中矿物铁同位素从重到轻的顺序为:长石>黄铁矿>磁铁矿>黑云母≈角闪石。相对于共存的磁铁矿,长石具有非常重的铁同位素(δ56Fe斜长石磁铁矿 = +0.376‰ ~+1.084‰, δ56Fe碱性长石磁铁矿= +0.516‰ ~ +0.846‰)。长石-云母-磁铁矿之间的铁同位素分馏尺度与矿物成分密切相关,并可用矿物成分对Fe-O键强的影响来解释:

  1.  δ56Fe斜长石磁铁矿随斜长石中钠长石牌号的增大而增大,δ56Fe碱性长石磁铁矿随碱性长石中钾长石牌号的增大而增大(图1)。该趋势可用长石成分对Fe-O键强的影响来解释:钠长石几乎只含Fe3+而钙长石含有Fe2+,Fe3+为四配位,键强较强;钾长石和钠长石虽然都几乎只含Fe3+,但前者Fe-O键长比后者短。
  2. δ56Fe磁铁矿黑云母随黑云母的Fe3+/∑Fe降低和(Na + K)/Mg升高而升高(图2)。该趋势可用黑云母中Fe3++Na+/K+↔2Mg2+来解释,即(Na + K)/Mg增多会导致Fe3+减少,从而降低黑云母的铁同位素分馏因子。

        此外,为探究长石堆晶对全岩铁同位素组成的影响,该研究还测试了5个大别山混合岩淡色体的铁同位素组成。其中,1个未经历斜长石堆晶的淡色体具有典型未分异岩浆岩的δ56Fe,而4个具有斜长石堆晶成因的淡色体具有较重的铁同位素组成(+0.424 ± 0.016‰ ~ +0.567 ± 0.016‰),证明斜长石堆晶确实会造成全岩铁同位素偏重。然而,文献中具有重铁同位素组成的高硅花岗岩类往往具有较低的Sr、Ba含量以及负Eu异常,所以不能用长石堆晶来解释。岩浆演化过程中成分的变化导致的矿物间/矿物-熔体间分馏系数的变化伴随矿物分离结晶作用是导致高硅花岗岩类具有较重铁同位素的主要原因。

 

长石与磁铁矿或黑云母间铁同位素分馏与长石成分的关系

 黑云母与磁铁矿间铁同位素分馏与黑云母成分的关系

        以上成果发表在地球化学领域主流期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上:Hongjie Wu, Yongsheng He*, Leier Bao et al, 2017. Mineral composition control on inter-mineral iron isotopic fractionation in granitoids. Geochimica et Cosmochimica Acta, 198, 208-217. [IF = 4.315]

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