海洋所揭示洋中脊玄武巖硫化物熔離過程中的銅同位素分餾
近日,中國科學(xué)院海洋研究所肖媛媛課題組在Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta發(fā)表了題為“Copper isotope fractionation during magma differentiation: Evidence from lavas on the East Pacific Rise at 10 30′N”的文章,揭示了洋中脊玄武巖在硫化物熔離過程中的銅同位素分餾。
銅(Cu)是一種重要的成礦金屬元素,具有強(qiáng)親硫性,在巖漿演化時(shí)會(huì)強(qiáng)烈賦存于硫化物中,巖漿Cu-Ni硫化物礦床因此是銅的重要賦存礦床類型。銅具有63Cu和65Cu兩個(gè)穩(wěn)定同位素,研究發(fā)現(xiàn)世界各地的Cu-Ni硫化物礦床具有Cu同位素組成的高度變化。因此,銅同位素在示蹤礦床巖漿源區(qū)和銅富集成礦過程具有重要潛力。但將Cu同位素發(fā)展為可靠的示蹤工具首先需要搞清楚巖漿作用過程(如地幔熔融和巖漿演化)中硫化物和硅酸鹽組分之間Cu同位素的分餾規(guī)律。
洋中脊玄武巖(MORB)硫化物飽和,由于不混溶,硫化物會(huì)以液滴形式從硅酸鹽熔體中熔離(Sun等,2022)。本研究選取東太平洋洋隆10 30′N MORB樣品,在中國科學(xué)院海洋研究所“大洋巖石圈與地幔動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了Cu同位素分析。這些MORB樣品已知來自于成分均一的地幔源區(qū),部分熔融程度也類似,但經(jīng)歷過不同程度的結(jié)晶分異演化和硫化物熔離(MgO = 1.76-7.38 wt.%;Cu = 16-75 g/g),是揭示巖漿演化過程中硫化物和熔體間Cu同位素分餾規(guī)律和機(jī)制的理想樣品。研究發(fā)現(xiàn),巖漿演化早期(MgO > 4.9 wt.%),橄欖石、單斜輝石、斜長石為主要液相線礦物,此時(shí)硫化物的熔離對(duì)硅酸鹽熔體Cu同位素的影響有限,MORB具有相對(duì)均一的 65Cu(相對(duì)于NIST SRM 976)值(0.05 0.03‰,2SD)。而當(dāng)Fe-Ti氧化物飽和后,MORB的 65Cu值發(fā)生顯著變化,先迅速降低至–0.41‰,而后隨巖漿演化逐漸升高至0.08‰(圖1)。
該研究提出,巖漿的氧化還原條件和硫化物中Ni含量是影響硫化物和硅酸鹽熔體間Cu同位素分餾的首要因素。巖漿演化早期較為還原,Cu在硅酸鹽熔體和熔離的硫化物中均以Cu1+形式存在,硫化物中Ni含量較高,此時(shí)硫化物和硅酸鹽熔體間Cu同位素的分餾有限。而巖漿演化晚期,Fe-Ti氧化物的分離結(jié)晶造成了殘余熔體氧化還原條件的迅速變化——首先結(jié)晶的鈦鐵礦使殘余熔體迅速氧化(Fe3+/Fe2+和Cu2+/Cu1+升高),而后鈦磁鐵礦的飽和結(jié)晶使殘余熔體氧化性逐漸降低(Fe3+/Fe2+和Cu2+/Cu1+降低),在此過程中硫化物中Cu2+/Cu1+的變化和Ni含量的降低造成了硫化物和硅酸鹽熔體間Cu同位素的顯著分餾。Cu同位素因此具有示蹤巖漿氧化還原條件的重要潛力。
該研究估算了初始幔源熔體的 65Cu值為0.06 0.05‰,并提出地幔熔融過程中Cu同位素的分餾有限,地球上地幔應(yīng)具有類似于初始MORB熔體的 65Cu值。此外,該研究還討論了島弧和洋島巖漿作用過程中氧化還原條件和巖漿脫氣作用對(duì)Cu元素和同位素行為的重要影響。
論文第一作者兼通訊作者為中國科學(xué)院海洋研究所孫普副研究員,研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的共同資助。
論文信息:Sun, P., Niu, Y., Chen, S., Guo, P., Duan, M., Chen, Y., Gong, H., Xiao, Y. & Wang, X. (2023). Copper isotope fractionation during magma differentiation: Evidence from lavas on the East Pacific Rise at 10 30′N. Geochimica et Cosmochimica Acta 356, 93-104. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.07.016
Sun, P., Niu, Y., Guo, P., Duan, M., Wang, X. & Gong, H. (2022). Sublithosphere Mantle Crystallization and Immiscible Sulfide Melt Segregation in Continental Basalt Magmatism: Evidence from Clinopyroxene Megacrysts in the Cenozoic Basalts of Eastern China. Journal of Petrology 63, egac001. https://doi.org/10.1093/petrology/egac001

圖1 MORB硫化物熔離過程中的銅同位素分餾
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