铁钛氧化物分离结晶对玄武质岩浆铁同位素组成的影响

运用铁同位素探讨火成岩成因的前提之一是厘清铁同位素在岩浆结晶分异过程中的分馏行为。通过汇总前人对一些同源拉斑玄武质岩石的Fe同位素研究结果，我们发现在这些玄武质岩浆演化过程中，特别是铁钛氧化物饱和之后，铁同位素表现出不同的分馏行为（图1）。这是否意味着在玄武质岩浆演化晚期，不同种类铁钛氧化物的分离结晶会导致显著的铁同位素分馏行为差异？

图1玄武质岩浆演化过程中铁同位素(a)和TiO₂ (b)随SiO₂含量变化

         为更好地制约铁同位素在玄武质岩浆演化过程中的分馏行为，特别是铁钛氧化物的分离对残余熔体铁同位素组成的影响，我们对来自南大西洋St. Helena岛的同源碱性玄武质岩石和其中的铁钛氧化物斑晶进行了精细的铁同位素研究。该套岩石样品具有连续且宽泛的岩性和化学组成。岩性从苦橄玄武岩和玄武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含量的变化为15.72 ~ 0.81 wt.%。当MgO含量约为5 wt.%时，多数主微量元素与MgO之间的相关关系发生明显转折，指示分离结晶的矿物组合发生了明显改变。当MgO > 5wt.%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及少量橄榄石、单斜辉石和磷灰石。

     铁同位素分析结果表明，全岩样品的铁同位素组成随着MgO含量的降低逐渐变重（图2a），且MgO < 5 wt.%的样品铁同位素组成随TiO₂含量的降低不断变重（图2b）。研究的铁钛氧化物斑晶均为富钛铁晶石分子的钛磁铁矿，它们总是具有比对应全岩更轻的铁同位素组成（Δ⁵⁷Fe_{Tmag−whole rock}= −0.05 ± 0.02‰, N=6）（图2a）。将这一结果与MELTS模拟得到的钛磁铁矿结晶温度结合，我们推导出钛磁铁矿与熔体之间的铁同位素分馏因子为Δ⁵⁷Fe_Tmag-melt = (−0.094 ± 0.038) × 10⁶/T²。因此，当这种钛磁铁矿从岩浆中分离后，残余熔体的铁同位素组成将逐渐变重。将该分馏因子与前人推荐的橄榄石-熔体和单斜辉石-熔体铁同位素分馏因子结合，运用质量平衡公式定量计算得到的铁同位素变化可以很好地吻合St. Helena样品的铁同位素组成变化（图2）。基于本研究结果以及前人对贫钛磁铁矿和钛铁矿的铁同位素研究，我们提出：在玄武质岩浆演化过程中，当富钛铁晶石分子的钛磁铁矿和钛铁矿大量从岩浆中分离时，残余熔体的铁同位素组成变重，而贫钛磁铁矿的分离会使残余熔体的铁同位素组成变轻。此外，我们推断这种钛磁铁矿的分离结晶可以在一定程度上解释高硅岩浆（SiO₂＞70 wt%）独特的重铁同位素组成。

图2 St. Helena样品的铁同位素组成随MgO (a)和TiO₂ (b)的变化

（钛磁铁矿斑晶的铁同位素组成比对应全岩偏轻）

    文章信息：Zhao Jian, Wang Xiao-Jun*, Chen Li-Hui, Hanyu Takeshi, Shi Jin-Hua, Liu Xiao-Wen, Kawabata Hiroshi, Xie Lie-Wen. The effect of Fe-Ti oxide separation on iron isotopic fractionation during basalt differentiation. Contributions to Mineralogy and petrology (2022), 177: 101. https://doi.org/10.1007/s00410-022-01967-w

    硕士研究生赵键为论文第一作者，王小均老师为通讯作者。课题组陈立辉教授、施金华博士和博士生刘晓文参与了该研究工作。该工作得到了国家自然科学基金（42130310，41973001）的资助。