镁同位素在玄武质岩浆演化过程中的分馏行为

厘清镁同位素在岩浆结晶分异过程中的分馏行为是运用镁同位素探讨火成岩成因的前提。前人分析了夏威夷Kilauea Iki熔岩湖的一组同源拉斑玄武质岩石的镁同位素组成，发现玄武质岩浆结晶分异过程中镁同位素组成几乎不发生变化。然而随着数据的积累，一些高度演化的碱性玄武质岩石（如MgO < ~5 wt.%）总是表现出比化学组成相对原始的岩石（如MgO > ~5 wt.%）更显著的镁同位素变化（δ²⁶Mg的变化可达0.4 ‰）。这是否意味着碱性玄武质岩浆的晚期结晶分异能引起显著的镁同位素分馏？

为更好地制约镁同位素在玄武质岩浆演化过程中的分馏行为，“幔游”课题组联合国内外合作者，对来自南大西洋St. Helena岛的同源碱性玄武质岩石进行了精细的镁同位素研究。这组岩石具有连续且宽泛的成分变化。岩性从苦橄玄武岩和碧玄岩连续演化到玄武质粗面安山岩和粗面安山岩。化学组成上MgO和SiO₂的含量变化分别为15.72 ~ 0.81 wt.%和43.52 ~ 54.53 wt.%。一个显著的特征是，当MgO含量约为5 wt.%时，多数主微量元素与MgO之间的相关关系表现出明显转折，指示分离结晶的矿物组合发生了明显改变。当MgO > 5 wt.%时，分离的矿物主要为橄榄石和单斜辉石，而当MgO < 5 wt.%时，分离的矿物主要为斜长石和钛磁铁矿以及少量橄榄石、辉石和磷灰石（图1a）。镁同位素分析结果表明：MgO > 5 wt.%的样品镁同位素组成变化较小（δ²⁶Mg = − 0.32‰ ~− 0.23‰），而MgO < 5 wt.%的样品镁同位素组成变化较大（δ²⁶Mg = − 0.36‰ ~− 0.14‰）且与TiO₂、Na₂O+K₂O的含量以及Ti/Ti*比值（该比值指示Ti的亏损或富集程度）等呈现出协变关系（图1b）。这些观察表明橄榄石和辉石的分离对岩浆的镁同位素组成影响很小，但岩浆演化晚期的显著镁同位素变化很可能与钛磁铁矿的分离有关。

图1.St. Helena碱性玄武质岩石的主量元素和镁同位素变化

第一组样品经历橄榄石(Ol)和单斜辉石(Cpx)的分离，其镁同位素变化较小；第二组样品主要经历斜长石(Pl)和钛磁铁矿(Ti-Mgt)的分离，另有少量磷灰石(Ap)、低镁橄榄石和单斜辉石的分离，其镁同位素组成随TiO₂含量的降低而逐渐变轻。

对这些样品的斑晶开展的镁同位素分析发现，钛磁铁矿具有比橄榄石、单斜辉石和对应的全岩明显偏重的镁同位素组成（图2）。在玄武质岩浆结晶分异晚期，当这种氧化物大量从岩浆中分离之后，残余熔体的镁同位素组成会明显变轻（图1b）。因此在今后的研究中，当岩浆体系涉及钛铁氧化物的分离时，不能直接运用岩石的镁同位素来探讨其源区属性，而应首先评估岩浆演化对镁同位素组成的影响。此外，该研究还在结合前人成果的基础上提出：由于不同岩浆体系的氧逸度变化可形成不同钛铁氧化物种类，因而通过分析相应岩石和钛铁氧化物的镁同位素组成有可能制约岩浆体系的氧逸度变化。

图2.全岩样品与其中不同斑晶的镁同位素组成对比

研究成果“Magnesium isotopicfractionation during basalt differentiation as recorded by evolved magmas”近期发表于地球科学国际著名刊物《Earth and Planetary Science Letters》。王小均博士为论文第一作者，陈立辉教授为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目（41973001、41688103）的资助。

论文链接如下：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21002132?via%3Dihub