巖漿演化過程中Fe同位素分餾研究進展

魏錫萍

摘 要：本文對巖漿演化過程中鐵同位素的相關研究進展進行了總結。由于巖漿演化過程的復雜性，諸多學者對于各個過程鐵同位素的行為存在較多爭議。不同學者在解釋巖漿演化過程中鐵同位素的分餾機理時有不同看法。主要涉及到分離結晶作用，流體出溶作用，擴散作用和部分熔融作用。

關鍵詞：巖漿演化;鐵同位素;研究進展

中圖分類號：P597;P618.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0216-02

0 引言

近年來，同位素分析測試技術方法越來越受到青睞，其中Fe同位素體系已經在地學研究領域顯示出優越性，成為具有巨大應用前景的一種新的地球化學手段。巖漿活動對于成巖成礦的具有著重要的意義，而由于巖漿組分復雜，地下的溫壓條件多變，構造活動等其他地質作用均會對巖漿活動有著不同程度的影響，因此對巖漿活動的研究往往需要傳統的主微量元素、稀土元素、傳統穩定同位素的聯合運用。由于Fe同位素在巖漿作用過程中存在較為明顯的分餾行為，因此在解決巖漿演化的諸多問題上往往更有優勢。

1 巖漿演化過程中Fe同位素分餾研究

大多數地殼火成巖的Fe同位素組成中56Fe/54Fe，相對于IRMM-014變化有限（0.09±0.08）‰;但在高硅（SiO2>70）火成巖中，重鐵同位素明顯富集（56Fe/54Fe比平均地殼火成巖增加0.5‰）相對于高硅火成巖Fe同位素分餾的研究，低硅火成巖的相關研究則較少。對于低硅巖體，已經觀察到了重鐵同位素的富集，但由于低硅巖體的演化程度相對較低，因此所蘊含的巖漿演化信息較少。但這都說明在巖漿演化過程中Fe同位素發生了顯著的分餾，而不同學者對分餾的原因提出了不同的解釋?，F階段為解釋高硅火成巖中重Fe同位素的特征，諸多學者提出了以下四種可能的機制：

1.1 富輕Fe同位素礦物的結晶分異

Friedhelm von Blanckenburg等研究表明，對于SiO2含量較低（60～70wt.%）的花崗巖，也可以觀察到了重鐵同位素的富集現象。并測定了瑞士阿爾卑斯山鈣堿性Bergell巖體中巖石的Fe同位素組成，發現重Fe同位素富集，用簡化模型法對單一巖漿巖體逐次進行分析，將分餾原因歸因為結晶分異。

Schuessler等[1]對磁黃鐵礦與硅酸鹽熔體在巖漿條件下的平衡鐵同位素分餾進行了實驗研究，結果表明，磁黃鐵礦優先結合輕鐵。并將原理歸因于氧化還原狀態和Fe在兩相中的配體的顯著差異。不過其他礦物相與硅酸鹽熔體之間的Fe同位素分餾還有待進一步研究。

1.2 含輕Fe同位素的流體出溶

在巖漿的演化晚期，巖漿的結晶程度逐漸增高，體系壓力逐漸降低，巖漿的揮發分逐漸達到飽和，流體開始發生出溶，流體則多通過FeCl20、FeCl42-、FeCl4+等絡合物將一定含量的Fe帶出。Poitrasson and Freydier的研究[2]表明，高硅火成巖的δ56Fe值往往與SiO2的含量呈正相關關系，因此說明流體出溶作用使得大量輕Fe同位素被氯化物流體帶走，殘余成分則富集重Fe同位素。

有學者研究表明，磁鐵礦在高硅火成巖中不同于其他礦物，往往具有偏重的Fe同位素特征，而其余礦物的Fe同位素則與整體巖石成分接近，說明磁鐵礦與流體中的重Fe同位素發生了交換反應（Heimann）。

Heimann等[3]研究表明，較高的δ56Fe值并非出現在所有高硅火成巖。而恰恰是那些高度演化的巖石上最明顯，這些巖石往往都發生了Fe2+流體的出溶作用，相比于分餾結晶作用，低56Fe/54Fe氯化亞鐵流體的損失才是最佳解釋。

Telus等[4]通過比較大范圍分異地殼巖石（混合巖、花崗巖和偉晶巖）的鐵同位素組成，并輔助以Zn、Mg、U同位素，認為流體出溶作用是導致長石巖，特別是偉晶巖中Fe同位素分餾的重要原因之一。

1.3 熱擴散、化學擴散

地質體中的擴散現象主要分為兩種，分別是熱擴散現象和化學擴散現象，溫度梯度是熱擴散的動力，濃度差則主要影響化學擴散。Maoris等研究表明，長英質熔體中的Fe同位素對溫度變化非常敏感，高溫下使輕Fe同位素的擴散速率遠大于重Fe同位素，因此中輕Fe同位素往往富集在高溫帶，而重Fe同位素則主要集中在低溫端元。

Zambardi T等[5]研究表明，Fe、Mg同位素往往在基性巖中的礦物與熔體之間有著相反的擴散行為，進而導致礦物中Mg同位素與Fe同位素通常呈現明顯的負相關性，這與Mg離子和Fe離子由于一定的相似性而在礦物中出現類質同象現象有著密切的關系，如果礦物中有大量的Fe同位素進入，則一定會有大量的Mg同位素進入熔體中，這被報道為Mg、Fe的互擴散行為。

Zhu等[6]強調化學擴散所引起的Fe同位素分餾機理，并提出動態的、擴散誘導的同位素分餾模型解釋了重Fe同位素在A型花崗巖中富集的現象。

1.4 部分熔融

Shahar等研究表明，部分熔融作用中所產生的Fe同位素分餾現象，主要與不同價態的Fe在熔體相中與殘余相中的相容性差異所致。三價鐵在地幔橄欖巖的部分熔融過程中，相對二價鐵表現出明顯的不相容性，二價鐵留在殘余相中，三價鐵進入熔體相，進而使熔體，使得三價鐵在熔體中大量積聚，而二價鐵在殘余相中大量積聚。而三價鐵相對富集重Fe同位素，二價鐵相對富集輕Fe同位素，因此部分熔融作用導致熔體逐漸富集重Fe同位素，殘余相逐漸富集輕Fe同位素。

由于混合巖的形成往往與高級變質作用過程中的部分熔融過程密切相關，因此對混合巖中Fe同位素的研究往往能夠更好地揭示部分熔融作用中Fe同位素的分餾機理?；旌蠋r中的暗色物質代表殘余相，淺色物質代表熔體相（Schuessler）。Xia Y[7]對混合巖的研究結果與前人的結論一致，混合巖中熔體相相對富集重Fe同位素，殘余相相對富集輕Fe同位素。Gajos N A[8]對這類現象進一步研究發現，混合巖中熔體相的Fe含量很低，在淺色礦物中只有長石明顯富集重Fe同位素，而且含Fe量很低，但殘余相的Fe含量則很高，與原巖幾乎一致，Fe同位素數據也近乎一致，進而又排除部分熔融過程中的長石堆晶的影響，因此得出結論，地幔的部分熔融會導致Fe同位素發生0.09‰左右的分餾，而且原因主要與三價鐵與二價鐵的不相容性所致。

但由于巖漿過程的復雜性，有學者對部分熔融過程中Fe同位素的分餾機理提出異議，Xu[9]等對混合巖熔體相與殘余相的Fe同位素及Fe含量測試表明，殘余相與熔體相的三價鐵含量幾乎相同，但Fe同位素仍然呈現顯著的分餾，這說明與不同價態的Fe在熔體中的相容性是無關的，并提出在這主要是熔體的差異影響了鐵-氧鍵在不同熔體中的鍵能，進而產生了Fe同位素的分餾。

2 結語

現已查明Fe同位素的分餾主要與以下幾個巖漿演化過程有關，分別是分離結晶作用，流體出溶作用，擴散作用和部分熔融作用。并且目前對高硅（SiO2>70%）火成巖的研究已經較為成熟，基本的理論框架已經建立，但在一些問題上不同學者仍然存在一定的分歧。但由于巖漿演化過程的復雜性，使得在諸多學者對于各個過程Fe同位素的行為存在較多爭議，在一些問題上仍然爭執不下，因此筆者有必要對低硅火成巖展開Fe同位素分餾機理的研究，以便于得出更具有普適性的結論，完善現有Fe同位素體系。

參考文獻

[1] Schuessler J A，Schoenberg R，Sigmarsson O.Iron and lithium isotope systematics of the Hekla volcano，Iceland — Evidence for Fe isotope fractionation during magma differentiation[J].Chemical Geology，2009，258：79-91.

[2] Poitrasson F.On the iron isotope homogeneity level of the continentalcrust[J].Chemical Geology，2006，235：195-200.

[3] Heimann A，Beard B L，Johnson C M.The role of volatile exsolution and sub-solidus fluid/rock interactions in producing high 56Fe/54Fe ratios in siliceous igneous rocks[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2008，72（17）：4379-4396.

[4] Telus M，Dauphas N，Frédéric Moynier，et al.Iron，zinc，magnesium and uranium isotopic fractionation during continental crust differentiation： The tale from migmatites， granitoids， and pegmatites[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2012，97：247-265.

[5] Zambardi T，Lundstrom C C ， Li X ，et al.Fe and Si isotope variations at Cedar Butte volcano; insight into magmatic differentiation[J].Earth and Planetary Science Letters， 2014，405：169-179.

[6] Zhu D，Bao H，Liu Y.Non-traditional stable isotope behaviors in immiscible silica-melts in a mafic magma chamber[J].Scientific Reports，2015，5（1）：17561.

[7] Xia Y，Li S，Huang F.Iron and Zinc isotope fractionation during magmatism in the continental crust：evidence from bimodal volcanic rocks from Hailar basin，NE China[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2017，213：35-46.

[8] Gajos N A，Lundstrom C C，Taylor A H.Spatially controlled Fe and Si isotope variations： an alternative view on the formation of the Torres del Paine pluton[J].Contributions to Mineralogy & Petrology，2016，11（171）：1-20.

[9] Xu L J，He Y，Wang S J，et al.Iron isotope fractionation during crustal anatexis：Constraints from migmatites from the Dabie orogen，Central China[J].Lithos，2017：284-285;171-179.

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