基性-超基性岩石中斜长石的钙同位素分馏现象：对岩浆过程和行星分化的启示

钙同位素分馏机制及在行星地质学中的应用研究，通过对塔里木和攀枝花两大岩省中伟晶岩斜长石、单斜辉石及全岩样品的δ44/40Ca分析，结合实验数据与热力学模型对比，发现斜长石An含量与钙同位素分馏无直接关联，分馏因子在1273K时稳定于-0.07±0.10‰，为岩浆演化与早期行星 crust 成因研究提供新方法。

魏武|徐一刚|张兆峰

中国广东省韶关市韶关大学旅游与地理学院，邮编512005

摘要

为了研究岩浆分化过程中的钙同位素分馏及其对行星地球化学的意义，本研究分析了来自两个主要火成岩省（塔里木大火成岩省的 Xiaohaizi 岩体和峨眉山大火成岩省的 Panzhihua 岩体）的基性-超基性侵入体中全岩、单斜辉石和斜长石的 δ^44/40Ca 组成。Xiaohaizi 岩体的全岩 δ^44/40Ca 范围为 0.75 至 1.00‰，Panzhihua 岩体为 0.82 至 0.97‰；而斜长石的 δ^44/40Ca 范围分别为 Xiaohaizi 的 0.69 至 1.07‰ 和 Panzhihua 的 0.78 至 0.99‰。选定的不平衡样品的可归因于不同的地质过程：Panzhihua 岩体中的岩浆补充作用和 Xiaohaizi 岩体中的地壳物质吸收作用。对于平衡样品，斜长石与熔体之间的钙同位素分馏因子（1000lnα_Pl-melt）与斜长石的 An 含量无关，并且在基性到超基性斜长石的特定温度-压力条件下保持稳定。通过将这一新数据集与已发表的 Δ^44/40Ca_Cpx-Pl 数据（包括第一性原理预测和岩浆演化模型结果）相结合，我们确定在 1273 K 时 1000lnα_Pl-melt 的值为 −0.07 ± 0.10‰（2SD，N = 28）。本研究阐明了斜长石在岩浆钙同位素分馏中的作用，为追踪岩浆演化和重建类地行星早期地壳形成过程提供了可靠的框架。

引言

钙是一种亲石元素，也是地壳中含量最丰富的碱土元素。它有六种稳定同位素：⁴⁰Ca（96.941%）、⁴²Ca（0.647%）、⁴³Ca（0.135%）、⁴⁴Ca（2.086%）、⁴⁶Ca（0.004%）和 ⁴⁸Ca（0.187%）（DePaolo, 2004）。钙同位素被广泛用于研究海水演化（例如，Farkǎs 等人，2007a, 2007b；Griffith 等人，2008）和生化过程（例如，Fantle 和 Tipper，2014；Hu 等人，2022）等。近年来，钙同位素系统已成为解码火成岩起源和类地行星演化的重要地球化学工具（例如，Huang 等人，20211；Valdes 等人，2014；Magna 等人，2015；Huang 和 Jacobsen，2017；Kang 等人，2017；Zhu 等人，2018；Chen 等人，2019；Huang 等人，2019；Antonelli 等人，2019；Wu 等人，2022）。

斜长石（Pl）是大多数火成岩中的常见造岩矿物。先前的研究表明，斜长石的 δ^44/40Ca（定义为 δ^44/40Ca=((⁴⁴Ca/⁴⁰Ca)_样品/((⁴⁴Ca/⁴⁰Ca)_{NIST SRM915a}-1)*1000) ‰）为中碱性及花岗岩岩浆演化提供了关键见解，对岩浆起源、分异机制及相关地质过程提供了重要约束（例如，Wang 等人，2019；Kang 等人，2021；Hu 等人，2022；Antonelli 等人，2023）。特别是对于中性-酸性岩浆系统，斜长石对钙同位素分馏起着主导作用：随着斜长石结晶，残余岩浆的 δ^44/40Ca 逐渐增加（Xiao 等人，2022；Fu 等人，2022；Luo 等人，2024）。先前的研究还发现了关于基性-超基性系统中钙同位素的两个关键现象：首先，随着斜长石的 An 值（An = 100*Ca/(Ca + Na + K) 的减小，斜长石的钙同位素组成呈现明显下降趋势。这一趋势归因于斜长石中 Ca-O 键的长度延长，这直接导致了斜长石钙同位素组成的降低。其次，斜长石与单斜辉石（Cpx）之间的钙同位素差异范围为 −0.17‰ 至 +0.02‰；这种变化可以用 Cpx 中的 Ca-O 键长度比斜长石短来解释（例如，Zhang 等人，2018；Chen 等人，2020）。

然而，这些研究忽略了母岩浆演化的影响：随着斜长石 An 含量的降低，母岩浆的组成也会同步变化。这种组成变化包括钙同位素组成的变化。这一混淆因素意味着现有研究无法准确区分两个核心关系：（1）斜长石钙同位素组成与其 An 值之间的内在联系，以及（2）岩浆分化过程中斜长石的钙同位素分馏行为。因此，确定斜长石与熔体之间的钙同位素分馏因子是解决这一问题的有效方法。

塔里木大火成岩省和峨眉山大火成岩省的基性-超基性岩石以高 An 含量的斜长石为特征（例如，Zhou 等人，2005；Wei 等人，2014；Xing 等人，2014）。这些岩石样品的成因已被广泛研究，使其成为研究玄武岩岩浆系统中稳定同位素（如 Fe、Mg、Ca、Mo、Zn）分馏机制的理想样本（Cao 等人，2019；Tian 等人，2020；Wang 等人，2022；Dai 等人，2023；Wang 等人，2023）。为了阐明斜长石在玄武岩-超基性岩浆作用中钙同位素分馏中的作用，本研究整合了三个不同的数据集：（1）先前发表的 Δ^44/4⁰Ca_Cpx–Pl（单斜辉石与斜长石之间的钙同位素差异）值；（2）基于第一性原理预测得出的 Δ^44/4⁰Ca_Cpx–Pl 数据；以及（3）从岩浆演化框架推断出的 Δ^44/4⁰Ca_Cpx–Pl 值。通过系统地比较和综合这些互补数据集，我们旨在解决关于斜长石对玄武岩-超基性岩浆系统中钙同位素分馏影响的不确定性。

通过准确确定钙质斜长石与玄武岩-超基性岩浆之间的钙同位素平衡分馏因子，本研究定量地约束了斜长石分馏结晶对岩浆分化过程中钙同位素分馏的影响。这项研究不仅丰富了斜长石钙同位素在玄武岩岩浆演化研究中的应用，还为类地行星早期地质演化的同位素追踪建立了新方法。

样本

Xiaohaizi 岩体位于塔里木大火成岩省西北部 Bachu 市东南约 28 公里处（图 1a）。这些岩体形成于约 279 Ma，据认为是由地幔柱源形成的（Wei 等人，2014；及其中的参考文献）。图 1b 显示了 Xiaohaizi 的钻芯（ZK4202）的地层柱以及本研究中分析的累积辉长岩样品的位置。Xiaohaizi 岩体的结晶序列为

分析方法

Cpx 和 Pl 的主要元素分析是通过在中国科学院广州地球化学研究所（GIG-CAS）使用的 JEOL JXA-8100 Superprobe 进行电子探针分析（EMPA）获得的。加速电压设置为 15 kV，束流电流为 20 nA，束径为 1–2 mm。峰值的计数时间为 20 s，背景计数时间为 20 s，并进行了 ZAF 校正以减少数据误差。分析程序的详细信息由 Huang 等人（2007）描述。

微量元素分析

全岩主要元素组成

Xiaohaizi 和 Panzhihua 岩体的主要元素组成分别列于表 1 和图 2 中。Panzhihua 岩体样品中的 MgO 含量范围为 3.08-10.51 wt%，高于 Xiaohaizi 岩体样品的 18.68-24.49 wt%。如图 2 所示，除 4202-59 样品外，所有样品的成分与 Wei 等人（2014）报告的结果一致。4202-59 样品的 SiO₂ 含量相对较低，而 CaO 含量较高。

两个岩体中不平衡样品的成因分析

为了计算斜长石与熔体之间的钙同位素平衡分馏因子，我们依赖于斜长石-单斜辉石（Pl-Cpx）对表现出元素平衡的平衡定义样品。在本研究中，识别出三个不平衡样品（JS905、JS910 和 4202-59），并从其主要/微量元素角度讨论了它们的不平衡机制。

Pl-Cpx 主要元素不平衡样品 JS905 和 JS910 出现在上岩相带（图 4

结论

测量了 Xiaohaizi 和 Panzhihua 基性-超基性侵入体及其组成矿物的 δ^44/40Ca，以便更好地理解岩浆分化过程中的钙同位素分馏。根据观察和推断，得出以下结论：

（1）Panzhihua 岩体和 Xiaohaizi 岩体中的部分不平衡样品是由不同的地质过程引起的。对于 Panzhihua 岩体，不平衡样品主要是由于岩浆补充作用所致，

数据获取

数据可通过 Mendeley Data 在 https://data.mendeley.com/datasets/tz88vnftgy/1 获取。

未引用的参考文献

Amini 等人，2009；Banerjee 和 Chakrabarti，2019；Bgmrxuar，1993；Farkǎs 等人，2007；Farkǎs 等人，2007；Griffin 等人，2012；Holmden，2009；Huang 和 Jacobsen，2017；Jacobson 和 Holmden，2008；Kang 等人，2020；Kasemann 等人，2005；Liu 等人，2017；Magna 等人，2015；Ma 等人，2015；Steuber 和 Buhl，2006；Tipper 等人，2008；Zhang 等人，2024；Zou 等人，xxxx。

CRediT 作者贡献声明

魏武：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，正式分析，数据管理。徐一刚：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。张兆峰：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢编辑 Dong Hailiang、副编辑 Huang Shichun、Anupam Banerjee 以及两位匿名审稿人对本手稿的宝贵贡献。本研究得到了 国家自然科学基金（项目编号：42330102）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515110086）以及 广东省海洋科学与工程实验室引进人才团队重点专项的支持。