金云母分离结晶及熔体不混溶过程中的K同位素分馏 |苏本勋等-AM

近年来，钾(K)同位素的高精度分析技术快速发展并被广泛用于各种地质过程示踪。K作为流体活动性元素，在大多数情况下，其重同位素更倾向于进入流体相。例如俯冲板块脱水释放重K同位素而产生高δ41K的弧岩浆，理论上脱水后的板块进一步熔融则会产生同位素相对较轻的岩浆作用。然而后碰撞和板内环境的一些钾质-超钾质岩石并未显示比弧岩浆更轻的钾同位素组成。钾质-超钾质岩石的形成通常会经历富K矿物的分离结晶和/或熔体不混溶作用，这两个过程能否引起K同位素分馏尚存疑问。

中国科学院地质与地球物理研究所成矿元素与同位素实验室自2022年建立并优化了K同位素分析方法（Li et al., 2022, SC-ES; Li et al., 2023, JAAS）以来，相继开展了诸多K同位素地质过程的示踪研究。苏本勋研究员及其合作者对我国西秦岭地区一套由玄武质岩石和碳酸岩组成的火山岩进行了K同位素分析。

野外产出关系、显微镜下观察（图1）以及地球化学组成（图2）均表明，这套岩石经历了典型的硅酸盐和碳酸盐熔体不混溶和金云母分离结晶过程。玄武质岩石的K同位素组成明显重于其金云母斑晶，并与结晶分异的地球化学参数呈现较好的相关性（图3），表明金云母分离结晶作用可以造成岩浆向富集重K同位素的方向演化（图4a）。碳酸岩与玄武质岩石之间的元素与同位素的系统差异与熔体不混溶过程密切相关（图3）。通过不同构造背景下火山岩的岩石学和地球化学对比，揭示低K含量而不结晶富K矿物的火山岩的同位素组成可能更多反映了其地幔源区的特征，而相对高K含量火山岩的K同位素组成还会受到富K矿物分离结晶的影响（图4b, 图4c）。进而，作者提出在不同构造背景下源区和分异演化对幔源岩浆K元素及其同位素的差异性影响（图5）。

图1 西秦岭玄武质岩石及碳酸岩经历了熔体不混溶和金云母分离结晶过程的野外及岩石学显微证据

图2 西秦岭玄武质岩石及碳酸岩经历了熔体不混溶和金云母分离结晶过程的地球化学证据

图3 西秦岭玄武质岩石及碳酸岩的K同位素组成及其与熔体不混溶和金云母分离结晶地球化学参数的相关性图解

图4 西秦岭玄武质岩石K同位素组成与岩浆演化的模拟计算以及与不同构造背景下火山岩的对比

图5 不同构造背景下源区和分异演化对幔源岩浆K元素及其同位素差异性影响的模式图

研究成果发表于AM（苏本勋，潘旗旗，白洋，李文君，崔梦萌，彭君能. Potassium isotope fractionation during silicate-carbonatite melt immiscibility and phlogopite fractional crystallization [J].American Mineralogist, 2024, 109: 591-598. DOI: 10.2138/am-2022-8898.），研究受中国科学院地质与地球物理研究所实验技术创新项目（TEC 202103）和中国科学院青促会共同资助。

编辑：刘强