何永胜:岩浆成分对铁同位素分馏的控制以及残留石榴子石效应【GCA,2017】

        地球火成岩的δ56Fe变化达>0.50‰,反映岩浆过程中存在显著的铁同位素分馏或源区组成差异。本质上,铁同位素的分馏受物相中Fe的配位环境控制。因Fe3+倾向于形成更强的键,从而富集重Fe同位素,岩浆过程中的Fe同位素分馏一般被认为和熔体与固相间Fe3+和Fe2+的分配有关。因此,Fe同位素是岩浆体系潜在的氧逸度计。然而,岩浆过程中的Fe同位素分馏还受其他因素影响。石榴子石中的Fe2+为八配位,不同于其他主要富Fe硅酸盐矿物,如橄榄石、辉石、角闪石和黑云母(Fe2+为六配位)。因而,石榴子石的δ56Fe比共存的辉石(富六配位Fe2+)低约0.26‰。石榴子石在源区残留对部分熔融过程中的Fe同位素分馏会否产生影响值得探讨。此外,熔体成分变化对Fe在熔体中的赋存状态也存在影响,从而也可能影响熔体和固相间的Fe同位素分馏。

       为更好地理解岩浆过程中的Fe同位素分馏行为,我校科学研究院何永胜副教授及其课题组对来自大别造山带和中美洲的51个典型埃达克质岩和非埃达克质岩进行了Fe同位素分析,获得了以下重要认识:

  1. 大别非埃达克质I型花岗岩的δ56Fe变化范围为-0.015 ~ 0.184‰。δ56Fe与FeOt, Mg#和Fe3+/ΣFe具有较好的相关性(图1),可用以基性矿物为主的分离结晶过程解释(Δ56Femelt-crystal ~ 0.06‰)。大别A-型花岗岩样品的δ56Fe高达0.447‰,需要更高的Δ56Femelt-crystal ~ 0.13‰才能解释,可能反映分离结晶过程中磁铁矿结晶比例更少或熔体因高(Na + K)/(Ca + Mg)而具有更高的103lnβ。结合文献数据,几乎所有已发表高硅花岗岩(SiO2 ≥71 wt.%)的δ56Fe和全岩(Na + K)/(Ca + Mg)呈良好正相关关系:δ56Fe = 0.0062‰ × (Na+K)/(Ca+Mg) + 0.130‰(图2)。这一趋势可部分归功于基性矿物分离结晶。如果接受A型花岗岩是由基性矿物分离结晶产生,且这一过程会增加熔体的δ56Fe,则该研究发现的这一趋势可作为熔体成分对Fe同位素分馏影响的最大估计。
  2. 大别低镁埃达克质岩的δ56Fe变化范围为0.114‰ ~ 0.253‰。这些样品的(Na + K)/(Ca + Mg)变化较小,因此它们的δ56Fe变化不能用熔体成分变化解释。此外,除个别样品外,同一岩体样品的δ56Fe在误差范围内一致,和FeOt及MgO无相关性,表明分离结晶的影响不显著。低镁埃达克质岩的δ56Fe与(Dy/Yb)N呈正相关,可用源区残留石榴子石比例不同来解释(图3)。源区残留富轻Fe同位素的石榴子石越多,熔体的δ56Fe越高。这首次证明源区残留矿物组合会对部分熔融过程中的铁同位素分馏大小产生显著影响。
  3. 大别和中美洲高镁埃达克质岩的Fe同位素组成较为均一,δ56Fe平均值分别为0.098 ± 0.038‰ (2SD, N=11)和0.080 ± 0.034‰ (2SD, N = 10/11),接近全球MORB的平均值(~0.105 ± 0.043‰)。这些样品的高镁特征表明其经历熔体-地幔反应。基于Rhyolite-Melts软件的模拟计算表明,熔体-地幔反应会导致熔体的δ56Fe逼近δ56FeUM+ Δ56Femelt-crystal,可解释这些高镁埃达克质岩的近MORB的Fe同位素组成。因此,高镁埃达克质岩记录的是熔体-地幔反应的结果。

大别非埃达克质花岗岩δ56FeFeOt, Mg#Fe3+/ΣFe的相关性

高硅花岗岩(SiO2 ≥71 wt.%δ56Fe和全岩(Na + K)/(Ca + Mg) 的相关性。空心点为文献数据

图3 大别低镁埃达克质岩δ56Fe与(Dy/Yb)N相关性

上述成果发表在地球化学领域主流期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上:He, Y., Wu, H., Ke, S., Liu, S. A., & Wang, Q. (2017). Iron isotopic compositions of adakitic and non-adakitic granitic magmas: magma compositional control and subtle residual garnet effect. Geochimica et Cosmochimica Acta, 203, 89-102.

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