岩浆演化过程中Fe同位素分馏研究进展

魏锡萍

摘 要：本文对岩浆演化过程中铁同位素的相关研究进展进行了总结。由于岩浆演化过程的复杂性，诸多学者对于各个过程铁同位素的行为存在较多争议。不同学者在解释岩浆演化过程中铁同位素的分馏机理时有不同看法。主要涉及到分离结晶作用，流体出溶作用，扩散作用和部分熔融作用。

关键词：岩浆演化;铁同位素;研究进展

中图分类号：P597;P618.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0216-02

0 引言

近年来，同位素分析测试技术方法越来越受到青睐，其中Fe同位素体系已经在地学研究领域显示出优越性，成为具有巨大应用前景的一种新的地球化学手段。岩浆活动对于成岩成矿的具有着重要的意义，而由于岩浆组分复杂，地下的温压条件多变，构造活动等其他地质作用均会对岩浆活动有着不同程度的影响，因此对岩浆活动的研究往往需要传统的主微量元素、稀土元素、传统稳定同位素的联合运用。由于Fe同位素在岩浆作用过程中存在较为明显的分馏行为，因此在解决岩浆演化的诸多问题上往往更有优势。

1 岩浆演化过程中Fe同位素分馏研究

大多数地壳火成岩的Fe同位素组成中56Fe/54Fe，相对于IRMM-014变化有限（0.09±0.08）‰;但在高硅（SiO2>70）火成岩中，重铁同位素明显富集（56Fe/54Fe比平均地壳火成岩增加0.5‰）相对于高硅火成岩Fe同位素分馏的研究，低硅火成岩的相关研究则较少。对于低硅岩体，已经观察到了重铁同位素的富集，但由于低硅岩体的演化程度相对较低，因此所蕴含的岩浆演化信息较少。但这都说明在岩浆演化过程中Fe同位素发生了显著的分馏，而不同学者对分馏的原因提出了不同的解释。现阶段为解释高硅火成岩中重Fe同位素的特征，诸多学者提出了以下四种可能的机制：

1.1 富轻Fe同位素矿物的结晶分异

Friedhelm von Blanckenburg等研究表明，对于SiO2含量较低（60～70wt.%）的花岗岩，也可以观察到了重铁同位素的富集现象。并测定了瑞士阿尔卑斯山钙碱性Bergell岩体中岩石的Fe同位素组成，发现重Fe同位素富集，用简化模型法对单一岩浆岩体逐次进行分析，将分馏原因归因为结晶分异。

Schuessler等[1]对磁黄铁矿与硅酸盐熔体在岩浆条件下的平衡铁同位素分馏进行了实验研究，结果表明，磁黄铁矿优先结合轻铁。并将原理归因于氧化还原状态和Fe在两相中的配体的显著差异。不过其他矿物相与硅酸盐熔体之间的Fe同位素分馏还有待进一步研究。

1.2 含轻Fe同位素的流体出溶

在岩浆的演化晚期，岩浆的结晶程度逐渐增高，体系压力逐渐降低，岩浆的挥发分逐渐达到饱和，流体开始发生出溶，流体则多通过FeCl20、FeCl42-、FeCl4+等络合物将一定含量的Fe带出。Poitrasson and Freydier的研究[2]表明，高硅火成岩的δ56Fe值往往与SiO2的含量呈正相关关系，因此说明流体出溶作用使得大量轻Fe同位素被氯化物流体带走，残余成分则富集重Fe同位素。

有学者研究表明，磁铁矿在高硅火成岩中不同于其他矿物，往往具有偏重的Fe同位素特征，而其余矿物的Fe同位素则与整体岩石成分接近，说明磁铁矿与流体中的重Fe同位素发生了交换反应（Heimann）。

Heimann等[3]研究表明，较高的δ56Fe值并非出现在所有高硅火成岩。而恰恰是那些高度演化的岩石上最明显，这些岩石往往都发生了Fe2+流体的出溶作用，相比于分馏结晶作用，低56Fe/54Fe氯化亚铁流体的损失才是最佳解释。

Telus等[4]通过比较大范围分异地壳岩石（混合岩、花岗岩和伟晶岩）的铁同位素组成，并辅助以Zn、Mg、U同位素，认为流体出溶作用是导致长石岩，特别是伟晶岩中Fe同位素分馏的重要原因之一。

1.3 热扩散、化学扩散

地质体中的扩散现象主要分为两种，分别是热扩散现象和化学扩散现象，温度梯度是热扩散的动力，浓度差则主要影响化学扩散。Maoris等研究表明，长英质熔体中的Fe同位素对温度变化非常敏感，高温下使轻Fe同位素的扩散速率远大于重Fe同位素，因此中轻Fe同位素往往富集在高温带，而重Fe同位素则主要集中在低温端元。

Zambardi T等[5]研究表明，Fe、Mg同位素往往在基性岩中的矿物与熔体之间有着相反的扩散行为，进而导致矿物中Mg同位素与Fe同位素通常呈现明显的负相关性，这与Mg离子和Fe离子由于一定的相似性而在矿物中出现类质同象现象有着密切的关系，如果矿物中有大量的Fe同位素进入，则一定会有大量的Mg同位素进入熔体中，这被报道为Mg、Fe的互扩散行为。

Zhu等[6]强调化学扩散所引起的Fe同位素分馏机理，并提出动态的、扩散诱导的同位素分馏模型解释了重Fe同位素在A型花岗岩中富集的现象。

1.4 部分熔融

Shahar等研究表明，部分熔融作用中所产生的Fe同位素分馏现象，主要与不同价态的Fe在熔体相中与残余相中的相容性差异所致。三价铁在地幔橄榄岩的部分熔融过程中，相对二价铁表现出明显的不相容性，二价铁留在残余相中，三价铁进入熔体相，进而使熔体，使得三价铁在熔体中大量积聚，而二价铁在残余相中大量积聚。而三价铁相对富集重Fe同位素，二价铁相对富集轻Fe同位素，因此部分熔融作用导致熔体逐渐富集重Fe同位素，残余相逐渐富集轻Fe同位素。

由于混合岩的形成往往与高级变质作用过程中的部分熔融过程密切相关，因此对混合岩中Fe同位素的研究往往能够更好地揭示部分熔融作用中Fe同位素的分馏机理。混合岩中的暗色物质代表残余相，浅色物质代表熔体相（Schuessler）。Xia Y[7]对混合岩的研究结果与前人的结论一致，混合岩中熔体相相对富集重Fe同位素，残余相相对富集轻Fe同位素。Gajos N A[8]对这类现象进一步研究发现，混合岩中熔体相的Fe含量很低，在浅色矿物中只有长石明显富集重Fe同位素，而且含Fe量很低，但残余相的Fe含量则很高，与原岩几乎一致，Fe同位素数据也近乎一致，进而又排除部分熔融过程中的长石堆晶的影响，因此得出结论，地幔的部分熔融会导致Fe同位素发生0.09‰左右的分餾，而且原因主要与三价铁与二价铁的不相容性所致。

但由于巖浆过程的复杂性，有学者对部分熔融过程中Fe同位素的分馏机理提出异议，Xu[9]等对混合岩熔体相与残余相的Fe同位素及Fe含量测试表明，残余相与熔体相的三价铁含量几乎相同，但Fe同位素仍然呈现显著的分馏，这说明与不同价态的Fe在熔体中的相容性是无关的，并提出在这主要是熔体的差异影响了铁-氧键在不同熔体中的键能，进而产生了Fe同位素的分馏。

2 结语

现已查明Fe同位素的分馏主要与以下几个岩浆演化过程有关，分别是分离结晶作用，流体出溶作用，扩散作用和部分熔融作用。并且目前对高硅（SiO2>70%）火成岩的研究已经较为成熟，基本的理论框架已经建立，但在一些问题上不同学者仍然存在一定的分歧。但由于岩浆演化过程的复杂性，使得在诸多学者对于各个过程Fe同位素的行为存在较多争议，在一些问题上仍然争执不下，因此笔者有必要对低硅火成岩展开Fe同位素分馏机理的研究，以便于得出更具有普适性的结论，完善现有Fe同位素体系。

参考文献

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Research Progress on Iron Isotope Fractionation During Magmatic Evolution

WEI Xi-ping

（Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan  610059）

Abstract：This paper summarizes the research on iron isotope in magmatic evolution. Due to the complexity of magmatic evolution， there are many controversies about the behavior of iron isotopes in various processes. It shows that different scholars have different views on the fractionation mechanism of iron isotope in the progress of magmatic evolution. It mainly involves separation crystallization，fluid dissolution，diffusion and partial melting.

Key words：Magmatic evolution; iron isotope; research progress