碳酸岩是一种富含碳酸盐矿物的火成岩，形成于幔源的碳酸质岩浆，其在全球分布广泛，是我们理解地壳和地幔岩浆演化过程的重要窗口之一。硅酸盐-碳酸盐液态不混溶作为碳酸岩成因模型之一，是解释与碱性岩-碳酸岩伴生的杂岩体中碳酸岩成因的主流观点。近年来，随着非传统稳定同位素的发展，许多金属稳定同位素（如Mg、Ca、K、Fe等）为我们深入探究碳酸岩的岩浆演化、成因机制以及侵位历史提供了全新的视角。因此了解岩浆过程中稳定同位素的分馏行为对于阐明这些过程至关重要。前人模拟实验研究表明，在硅酸盐-碳酸盐液态不混溶过程中，铁同位素发生了显著的分馏，较轻的铁同位素优先进入碳酸盐熔体，较重的铁同位素在硅酸盐熔体中富集。然而，这一观察结果缺乏天然样品的验证，并且硅酸盐-碳酸盐不混溶过程中铁同位素分馏的机制至今仍不清楚。
图1 本研究区Alnö杂岩体的简要地质图
基于上述研究现状，“幔游”课题组对来自瑞典中部晚元古代的Alnö杂岩体中的超镁铁质煌斑岩和碳酸岩进行了系统岩相学、全岩元素、Sr-Nd同位素以及Fe同位素研究。研究结果表明，Alnö超镁铁质煌斑岩和碳酸岩具有重叠的Sr-Nd同位素组成（超镁铁质煌斑岩：(87Sr/86Sr)i= 0.70273−0.70439，εNd(t)=2.5−3.6；碳酸岩：(87Sr/86Sr)i=0.70310−0.70311, εNd(t)= 2.4−2.6），指示了它们来源于同一母岩浆（图2）。此外，在Alnö超镁铁质煌斑岩中可观察到形态各异的碳酸岩球粒，结合Alnö碳酸岩微量元素呈现富集Sr，Ba，亏损高场强元素如Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf和Ti元素的特征，而共轭的超镁铁质煌斑岩则具有Th-U、Nb-Ta的正异常，这些证据都支持Alnö超镁铁质煌斑岩和碳酸岩之间液态不混溶的成因联系。
铁同位素研究结果表明，Alnö超镁铁质煌斑岩的平均δ57/54Fe值为0.16±0.08‰，共轭的碳酸岩平均δ57/54Fe值为0.03±0.04‰，∆57Fe硅酸盐-碳酸盐= 0.13 ‰（图3）。在排除了地壳混染、岩浆期后蚀变、分离结晶等过程（详见原文）对Fe同位素的影响之后，我们认为在Alnö超镁铁质煌斑岩和碳酸岩观察到的Fe同位素组成主要反映了其原始组成，并认为硅酸盐-碳酸盐液态不混溶过程中存在显著的Fe同位素分馏。具体行为表现为轻的Fe同位素在碳酸盐熔体中富集，重的Fe同位素在硅酸盐熔体中富集，该分馏行为与前人模拟实验结果一致，且分馏结果也相吻合。硅酸盐-碳酸盐液态不混溶过程Fe同位素的分馏可能受到硅酸盐熔体和碳酸盐熔体不同的聚合网格提供不同的铁键强度以及Fe不同价态在矿物及熔体中富集状态不同等因素的影响。
图2 Alnö超镁铁质煌斑岩和碳酸岩的Sr-Nd同位素组成特征
图3 Alnö超镁铁质煌斑岩和碳酸岩的Fe同位素组成特征
该成果以“Iron isotopefractionation during silicate‑carbonatite liquid immiscibility processes
”为题发表在地球化学领域知名期刊《Chemical Geology》上。硕士研究生张晓宝为该论文第一作者，刘建强副教授为通讯作者。西北大学的陈立辉教授、王小均副教授，南京大学的曾罡教授，捷克科学院地质研究所的Lukáš Krmíček教授，乌普萨拉大学的ValentinR. Troll教授，捷克地质调查局的Tomáš Magna教授以及马萨里克大学的Adam Maťo博士参与了该研究。该工作得到了国家自然科学基金项目(42130310,42322202,41802045)的资助和支持。
论文信息：Zhang,X.-B., Liu, J.-Q*., Krmíček, L., Troll, V.R., Magna, T., Maťo, A., Zeng,G., Wang, X.-J., Chen, L.-H., 2025. Iron isotope fractionation during silicate‑carbonatiteliquid immiscibility processes. Chemical Geology. 681, 122732.
https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2025.122732