近期，西北大学地质学系岩石学与地幔地球化学学科团队陈立辉教授联合国内外合作者对来自南大西洋St. Helena岛的同源碱性玄武质岩石进行了精细的镁同位素研究。发现橄榄石和辉石的分离对岩浆的镁同位素组成影响很小，但岩浆演化晚期的显著镁同位素变化很可能与钛磁铁矿的分离有关。这一研究成果已在线发表于地学顶级期刊Earth and Planetary Science Letters 上。

前人通过分析夏威夷Kilauea Iki熔岩湖的一组同源拉斑玄武质岩石的镁同位素组成，发现玄武质岩浆结晶分异过程中镁同位素组成几乎不发生变化。然而随着数据的积累，一些高度演化的碱性玄武质岩石（如MgO < ~5 wt.%）总是表现出比化学组成相对原始的岩石（如MgO > ~5 wt.%）更显著的镁同位素变化（δ²⁶Mg的变化可达0.4 ‰）。这是否意味着碱性玄武质岩浆的晚期结晶分异能引起显著的镁同位素分馏？以这个科学问题为出发点，我系岩石学与地幔地球化学学科团队开展了详细的研究。

为更好地制约镁同位素在玄武质岩浆演化过程中的分馏行为，团队对来自南大西洋St. Helena岛的同源碱性玄武质岩石进行了精细的镁同位素研究。这组岩石具有连续且宽泛的成分变化。岩性从苦橄玄武岩和碧玄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和SiO₂的含量变化分别为15.72 ~ 0.81 wt.%和43.52 ~ 54.53 wt.%。一个显著的特征是，当MgO含量约为5 wt.%时，多数主微量元素与MgO之间的相关关系表现出明显转折，指示分离结晶的矿物组合发生了明显改变。当MgO > 5 wt.%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以及少量橄榄石、辉石和磷灰石（图1a）。镁同位素分析结果表明：MgO > 5 wt.%的样品镁同位素组成变化较小（δ²⁶Mg = − 0.32‰ ~ − 0.23‰），而MgO < 5 wt.%的样品镁同位素组成变化较大（δ²⁶Mg = − 0.36‰ ~ − 0.14‰）且与TiO₂、Na₂O+K₂O的含量以及Ti/Ti*比值（该比值指示Ti的亏损或富集程度）等呈现出协变关系（图1b）。

图1. St. Helena碱性玄武质岩石的主量元素和镁同位素变化

对这些样品的斑晶开展的镁同位素分析发现，钛磁铁矿具有比橄榄石、单斜辉石和对应的全岩明显偏重的镁同位素组成（图2）。在玄武质岩浆结晶分异晚期，当这种氧化物大量从岩浆中分离之后，残余熔体的镁同位素组成会明显变轻（图1b）。

图2. 全岩样品与其中不同含镁斑晶的镁同位素组成对比

此项研究表明，橄榄石和辉石的分离对岩浆的镁同位素组成影响很小，但岩浆演化晚期的显著镁同位素变化很可能与钛磁铁矿的分离有关。因此在今后的研究中，当岩浆体系涉及钛铁氧化物的分离时，不能直接运用岩石的镁同位素来探讨其源区属性，而应首先评估岩浆演化对镁同位素组成的影响。此外，该研究还在结合前人成果的基础上提出：由于不同岩浆体系的氧逸度变化可形成不同钛铁氧化物种类，因而通过分析相应岩石和钛铁氧化物的镁同位素组成有可能制约岩浆体系的氧逸度变化。

厘清镁同位素在岩浆结晶分异过程中的分馏行为是运用镁同位素探讨火成岩成因的重要基础。岩石学与地幔地球化学学科团队的这一发现对利用Mg同位素探讨重大科学问题、提供关键信息具极大推动作用。

文章信息：Magnesium isotopic fractionation during basalt differentiation as recorded by evolved magmas

王小均博士为论文第一作者，陈立辉教授为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目（41973001、41688103）的资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21002132?via%3Dihub