捕掳体与寄主玄武岩相互作用引发Mg-Fe同位素分馏

Mg-Fe同位素近来被广泛应用于幔源岩石的研究中，用以揭示地幔的岩性特征、再循环物质组成等。但对于地球上广泛分布的大陆板内玄武岩，在岩浆上升过程中，需要穿过较厚的大陆岩石圈地幔，因而其同位素组成很可能受到岩石圈地幔的影响和改造，从而对我们认识玄武岩地幔源区组成造成困难。因此，在有效评估玄武岩地幔源区特征之前，我们首先需要理解岩浆与岩石圈地幔的潜在相互作用过程。本次研究工作选择中国东部南京附近的一类富含橄榄岩捕虏体的新生代玄武岩为研究对象，以Mg-Fe同位素为主要的研究手段，评估了玄武质岩浆与橄榄岩的相互作用下，玄武岩潜在的Mg–Fe同位素分馏行为，为我们今后评估该过程提供了支撑。

图1 南京盘石山和塔山新生代玄武岩及其橄榄岩捕掳体的Mg–Fe同位素特征

通过详尽的野外与室内岩相学观察，我们发现这些富含捕虏体的玄武岩与其所捕获的橄榄岩捕虏体之间存在着显著的相互作用。橄榄岩捕虏体展现出均一的、与正常地幔相似的δ²⁶Mg值（−0.24‰ ~ −0.28‰），然而其铁同位素却表现出显著的变化，并具有偏轻的δ⁵⁷Fe值（0.16‰ ~ −0.06‰），支持其经历过熔融反应；而玄武岩则表现出重的Fe同位素组成（δ⁵⁷Fe = 0.22‰ ~ 0.37‰）和极轻的Mg同位素组成（δ²⁶Mg = −0.64‰ ~ −0.39‰）（图1）。进一步分析发现，这些玄武岩的δ²⁶Mg值与它们的δ⁵⁷Fe值、Hf同位素以及某些元素比值（如Lu/Hf、La/Sm、Ca/Al和Na/Ti）呈现出相关关系，这可以用玄武质岩浆与捕虏体释放的熔体之间的混合作用来解释。由于这些捕虏体释放的熔体是由接近固相线的部分熔融过程产生的，因此它们具有极低的Mg/Fe比，并且与残留固体在Mg或Fe上并不处于平衡状态。这种不平衡状态有可能导致Mg–Fe同位素的扩散与分馏，最终使得捕虏体释放的熔体具有比正常地幔显著偏轻的Mg同位素和重的Fe同位素组成。因此，南京地区这类富含橄榄岩捕虏体的玄武岩，成为了自然系统中因扩散作用引发Mg–Fe同位素动力学分馏的典型研究样本。

图2 计算揭示不同熔岩比对玄武岩Mg–Fe同位素动力学分馏的潜在影响

值得注意的是，基于我们的模拟计算（图2），这种由捕虏体来源熔体因成分差异扩散而导致玄武岩发生Mg–Fe同位素动力学分馏的现象，仅在那些捕虏体极其丰富的地质实例中才可能观察到。在这些实例中，极高的熔体/橄榄岩比例（X_Melt/X_Ol）才能导致玄武岩的Mg–Fe同位素组成发生改变。而对于大多数玄武岩而言，尽管它们也包含橄榄岩捕虏体，但由于捕虏体的数量相对较少，因此并不足以改变玄武岩的Mg–Fe同位素组成。该研究结果也表明，熔体—橄榄岩的相互作用过程是影响玄武岩Mg–Fe同位素特征的机制之一。相关成果已发表在《Chemical Geology》上。曾罡为论文的第一作者和通讯作者，陈立辉、谢烈文、俞恂、王小均、钟源、施金华和张笑宇参与了本研究。该工作得到国家自然科学基金优秀青年基金(42322202)、中央高校项目(2024300389)、教育部关键地球物质循环前沿中心（南京大学）“GeoX”跨学科研究基金（2024JC03）的联合资助。

文章信息：

Zeng, G.*, Wang, X.-J., Zhang, X.-Y., Zhong, Y., Shi, J.-H., Yu, X., Xie, L.-W., Chen, L.-H., 2025. Kinetic Mg Fe isotope fractionation in natural basalts during melt-peridotite interaction. Chemical Geology 672, 122514.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2024.122514