铁同位素的分馏机制研究：以南太平洋深海橄榄岩、罗布莎蛇绿岩套橄榄岩和大庙钒钛磁铁矿为例

One of the major advances in marine geology research is the birth and development of the plate tectonics theory, in which oceanic plate is a necessary constituent. The geological society gradually pays attention to the iron isotope variation and its possible geological implications in the ocean lithosphere rocks. However, compared with the frequently-used Sr-Nd-Pb isotopic system, the mechanism of iron isotope fractionation remains in dispute due to the deficiency of data accumulation. Only when the fractionation mechanism is well studied can iron isotope be used for tracing geological processes. This proposal focuses on systematic determination of iron isotope composition of abyssal peridotite from south Pacific, chromite-bearing peridotite from Luobusha ophiolite and vanadium-titanium magnetite from Damiao using MC-ICPMS method, to (1) reveal the influence of valence change and redox reaction to iron isotope fractionation and (2) obtain the iron isotope fractionation profile in high-temperature diffusion process. This project will enhance the theory of iron isotope for better application and provide new method and perspective on the core issues of solid earth science such as evolution of ocean lithosphere and mantle differentiation.

板块构造学说的诞生和发展是海洋地质研究最主要的进展之一。大洋板块是板块构造的必要组成部分，其中不同类型岩石Fe同位素分馏的发现及其可能的地质意义引起学者们的广泛关注。但相对于常用的Sr-Nd-Pb同位素示踪体系，Fe同位素的研究目前仍处于数据积累阶段，其分馏机制依然存在争议。只有明确分馏机制，才可用Fe同位素示踪地质过程。本项目拟使用MC-ICPMS方法，对采自南太平洋深海橄榄岩、罗布莎蛇绿岩套中含铬铁矿橄榄岩和大庙钒钛磁铁矿开展系统的Fe同位素研究，从而（1）揭示Fe同位素分馏与铁赋存价态、与氧化还原反应的关系；（2）获取Fe同位素在高温扩散过程的分馏情况。该研究结果将为Fe同位素的应用提供基础理论支持，并为大洋岩石圈的演化和地幔分异等固体地球科学领域的重要问题提供新的研究思路和方法。

Fe是多价态主量元素，其化学行为对大洋岩石圈的形成演化、地球地核形成和地幔分异等固体地球科学问题具有重要指示意义，但Fe同位素仍然需要更多的观察测试和数据累积，其同位素分馏机制尚存在争议。缺乏对已知地质过程岩石的系统研究是阻碍我们认识Fe同位素分馏机制的主要原因之一。本项目对已知地质过程的样品的Fe同位素的分馏情况展开深入研究，获得了Fe3+/Fe2+、δFe与氧逸度fO2关系的新认识。. 本项目对钛磁铁矿中出溶的磁铁矿和钛铁矿，以及伴生的黄铁矿开展了元素和Fe同位素地球化学研究，结果显示钛铁矿出溶的成因可理解为磁铁矿固溶体中钛铁尖晶石发生固相线之下 (~820-600℃)的氧化作用，且经历了矿物间的再平衡反应。出溶作用的同时矿物间发生了Fe同位素的分馏。磁铁矿单矿物具有高的δ57Fe (+0.27 – +0.65‰)，而钛铁矿则具有较低的δ57Fe (-0.65 – -0.28‰)。黄铁矿可以通过岩相学划分为两种类型，每种类型都有不同的成因和铁同位素特征。第一类黄铁矿为岩浆成因，具有高的δ57Fe (δ57Fe = +0.63 – +0.95‰)；第二类黄铁矿为次生流体成因，具有较低的δ57Fe (δ57Fe = -0.90 – -0.11‰)。第一类黄铁矿的铁同位素特征可能反映了氧逸度的变化，而第二类黄铁矿的铁同位素可能为示踪流体活动提供了潜在的工具。. 本项目通过以上研究得出Fe同位素分馏新认识：(1)由钛铁矿出溶过程确认了其δ57FeIlm与其Fe3+含量的正相关，即Fe同位素在平衡分馏的过程中优选高价铁的规律；（2）磁铁矿的δ57Fe值高低与氧逸度无关，亦几乎不受到钛铁矿出溶分离的影响，因此用Fe同位素反演岩石氧化还原过程需谨慎。