Mg同位素体系在壳—幔演化中的应用与展望

唐宗源

河北地质大学地质调查研究院，河北石家庄050031

1 Mg同位素简介

Mg是地球上第四丰富的元素，主要（>99%）存在于地幔中，是地幔矿物（橄榄石和辉石）的重要组成元素。在地壳中，Mg主要存在于辉石、角闪石和云母等矿物中。

在Mg的3个稳定同位素中（24Mg、25Mg和26Mg），26Mg和24Mg间质量较大（~8%[1]），这说明Mg同位素可以很好示踪地质演化过程。最近，随着多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICPMS）的应用普及[2]，Mg同位素测试精度可达0.1‰（2SD）或更高[3-5]。Mg同位素测试方法通常采用“样品-标样交叉技术”进行校正[7]，标准参考物质多用DSM-3、Cambridge−1作为新的Mg同位素标准参考物质[8]。

Mg同位素在高温过程和低温过程中的分馏不同，这与其他稳定同位素分馏机制类似（图1）。目前，Mg同位素地球化学示踪主要取得如下进展：（1）建立了地球和地外星系储库的Mg同位素组[8-12]；（2）Mg同位素深部再循环[5，13]；（3）Mg同位素分馏的热扩散过程和实验对化学扩散中的研究[15-16]；（4）Mg同位素的分馏在地表风化和岩浆分异等地质过程中的行为[4，10，11，14]。

图1 镁同位素在地球与地外星系储库主要分布[11]Fig.1 Magnesium isotopic distribution in major extraterrestrial and terrestrial reservoirs.

2 Mg同位素体系在壳—幔演化中的应用

2.1 地幔Mg同位素体系

地幔Mg同位素研究中的三个关键科学问题是：（1）地幔的Mg同位素组成是否均一；（2）橄榄石和辉石是否存在Mg同位素分馏；（3）地幔的Mg同位素组成是否与球粒陨石相同[3]。

不同学者通过对全球橄榄岩的Mg同位素研究均显示地幔具有均一性特征[9，16]，但一些强交代捕虏体（如异剥辉石橄榄岩和辉石）具有不同的同位素组成，可能反映了地幔交代过程中的同位素分馏。对中等程度交代地幔包体（异剥辉石橄榄岩和辉岩）的研究发现，在岩石和矿物尺度上都有很大的Mg同位素变化，这被解释为反映了地幔交代过程或寄主岩浆中包体运移过程中Mg同位素分馏[18-20]。

2.1.1 克拉通榴辉岩

研究人员对来自西非和南非的低和高MgO克拉通榴辉岩的镁同位素研究显示出Mg同位素组成平均比地幔轻的特征[20]。此外，低镁含量和高镁含量的榴辉岩均表现出相似的同位素变化。因此，Mg同位素的明显变化反映了源区特征，并与它们来自俯冲蚀变地壳的来源相一致。这些观测结果不仅进一步证实了俯冲洋壳是克拉通榴辉岩的成因，而且表明俯冲后的蚀变洋壳仍具有非常不均匀的Mg同位素组成。因而俯冲洋壳具有不均匀的Mg同位素特征在俯冲之后仍然能够保存[21]。

2.1.2 大洋玄武岩

由地幔部分熔融造成的大洋玄武岩经历了不同程度的分异。Teng等[10]对夏威夷Kilauea Iki熔岩湖中的玄武岩分异过程中Mg同位素的行为进行了系统的研究，从富含橄榄石的堆晶体到高度分异的玄武岩，其MgO含量范围变化范围很大（26.9wt%~2.37wt%），并且具有与原始岩浆相似的Mg同位素组成，表明在≥1 055℃的温度下，晶体熔体分馏过程中缺少镁同位素分馏。因此，海洋玄武岩的Mg同位素组成可以用来约束其地幔源区性质。

2.1.3大陆玄武岩

大陆玄武岩具有比大洋玄武岩（δ26Mg=-0.26‰±0.07‰）变化更为宽泛的Mg同位素组成，部分研究人员认为轻Mg同位素组成的玄武岩是由碳酸岩的俯冲再循环引起[11]，但地幔中的Mg含量高于地壳，因此质量平衡对深部碳循环解释大陆玄武岩Mg同位素特征提出很大的挑战。有关大陆玄武岩低Mg同位素特征，可以用碳酸岩交代的榴辉岩的熔体（较高的Mg含量）与尖晶石相橄榄岩的熔体混合来解释[20]。

大陆玄武岩的同位素研究可能会揭示该次大陆岩石圈地幔的组成和演化以及壳—幔相互作用。Yang 等[22]首次对华北克拉通陆相玄武岩的镁同位素系统进行了研究，阜新和太行玄武岩（＜110 Ma）的Mg同位素组成比义县玄武岩（>120 Ma）更轻（图2）。结合Ce/Pb，Nb/U比和Sr-Nd-Pb同位素它们反映了地幔源Mg同位素组成在~120 Ma时的变化，可能是由华北克拉通之下太平洋地壳俯冲引起的。

图2 华北克拉通大陆玄武岩的Mg和Nd同位素组成[23]Fig.2 Mg and Nd isotopic compositions of continental basalts from North China Craton

华北克拉通下方的上地幔被来自俯冲板块的熔体交代。这种非均质性和同位素轻地幔的熔融作用产生了华北克拉通大陆玄武岩中镁同位素的变化。随后对华南克拉通大陆玄武岩的研究也揭示了大量轻镁同位素变化，具有低的δ26Mg玄武岩被解释为同位素轻的碳酸盐地幔不完全部分熔融的结果，这也是太平洋板块俯冲的结果[24]。

2.2 洋壳与陆壳Mg同位素体系

2.2.1 洋壳

海洋沉积物和蚀变洋壳的Mg同位素组成十分不均匀，并且洋壳的俯冲作用使不同Mg同位素再循环到进入地幔中。尽管对大洋玄武岩蚀变的研究仍然有限，但现有的数据表明，它们的镁同位素组成非常不均匀，可以与大陆玄武岩化学风化过程中观察到的同位素分馏程度相媲美。黄康俊[24]系统地研究了马里亚纳海沟外侧的蚀变玄武岩的镁同位素组成，这些样品的镁同位素组成变化很大（图3），表明海底蚀变期间镁同位素分馏很大。同样，样品的MgO含量和δ26Mg值均与Fe2O3/CaO比值呈正相关，表明富铁次生矿物（如皂石）和碳酸盐岩的形成是地壳低温蚀变过程中镁同位素分馏的主要原因。

图3 马里亚纳海沟外侧的蚀变玄武岩δ26Mg-F2O3/CaO协变图解[12]Fig.3 Correlation of δ26Mg with Fe2O3/CaO for altered oceanic basalts from the Mariana trench

2.2.2 陆壳

镁同位素组成在大陆地壳中也是高度不均匀的（图4）。早期研究上地壳镁同位素组成的尝试主要集中在花岗岩和相关的富镁矿物上[9，25]。尽管这些花岗石是通过不同程度的部分熔融和分离结晶形成的，元素和矿物成分差异很大，但它们的Mg同位素组成却难以区分（图5），总体上与地幔组成相似。因此，无论是全岩还是矿物分离结晶资料都表明I型花岗岩分异过程中Mg同位素的有限分馏作用，因此I型花岗岩的Mg同位素组成可用于示踪物源非均质性。Shen 等[26]通过分析美国南加州I型花岗岩发现其δ26Mg值的变化范围为-0.40‰~+0.44‰，且与岩石的Sr、Pb、O等同位素呈正比例关系，暗示该期I型花岗岩的岩浆源区含有“循环”古老地壳物质。在S型花岗岩的生产过程中，当石榴石为稳定相时，通过深部地壳中的变质泥质岩部分熔融，Mg同位素可以显著分馏[21]。再者，A型花岗岩（中国东北）的Mg同位素组成非均一，δ26Mg值在−0.28到+0.34之间[14]，这被解释为下地壳源区不均一的结果，源区非均质性是由古老地壳物质和可变的镁同位素成分产生的。这一变化很可能是某些经历了地表风化过程并发生明显Mg同位素分馏的物质“循环”进入下地壳形成的[14，26]。另外，碳酸盐岩的镁同位素组成较轻，而硅酸盐具有较重的Mg同位素组成。因此，Li等[13]通过对上地壳岩石进行全面和详细的分析认为，上地壳的Mg同位素组成具有显著的不均一性，上地壳岩石中镁的同位素变化反映了大陆风化过程中极端的镁同位素分馏。

图5 大陆上地壳岩石δ26Mg-SiO2协变图解[13] Fig.5 δ26Mg vs.SiO2 for the upper crustal rocks

对于下地壳的Mg同位素组成，Teng等[26]通过研究北昆士兰州的麻粒岩包体，发现它们的Mg同位素组成非常不均匀。Wang等[20]分析了意大利西北部一套角闪岩—麻粒岩相变质泥质岩以及其中的黑云母和石榴石的Mg同位素。结果表明变质作用过程中变质泥质岩的Mg同位素组成是一个接近封闭的体系，因此，伴随着矿物δ26Mg值的增加，石榴石和黑云母模式的变化使镁同位素组成趋于一致。黑云母中Mg同位素的系统变化表明，在黑云母脱水熔融过程中，熔体和残余物之间可能存在Mg同位素分馏，这使得Mg同位素成为地壳熔融和花岗岩成岩有效的示踪剂。Yang 等[28]系统研究了来自中国东部高级变质岩和麻粒岩捕虏体，以约束中、下大陆地壳的镁同位素组成。样品所代表的中、下地壳具有非均一的δ26Mg值，反映了其原岩的非均一性。麻粒岩捕虏体采样的深部地壳高度不均匀，δ26Mg变化很大（图4），这反映了源岩的非均质性（化学风化的上地壳物质）和深部地壳流体交代作用。

图4 上、中、下大陆地壳的镁同位素组成[11]Fig.4 Magnesium isotopic composition of the upper, middle and lower continental crust

刘盛遨[28]对中国中东部中生代埃达克质岩开展了系统的Mg同位素研究。研究表明大别山低镁埃达克质岩与长江中下游及徐淮地区高镁埃达克质岩具有与地幔相似的Mg同位素组成。这说明大别山加厚镁铁质下地壳主要由地幔起源的玄武质下地壳组成，然而Mg同位素并未随拆沉下地壳部分熔融的熔体与地幔反应过程中Mg和MgO显著提高而明显变化，而显示与地幔（如MORB和OIB）Mg同位素组成相匹配，而在高温下熔体地幔反应过程中Mg同位素快速的扩散平衡将进一步使熔体的Mg同位素组成近似地幔值。综上，高温硅酸盐岩浆分异过程中Mg同位素的分馏作用有限，火成岩和变质岩的Mg同位素组成与海洋玄武岩相似。因而，即便在低温水—岩相互作用期间发生大的Mg同位素分馏，但地壳仍具备相似地幔的镁同位素成分。

2.3 高温Mg同位素分馏

目前对高温下地幔橄榄岩包体中各种矿物之间的Mg同位素分馏机制仍存在争论。例如共生的橄榄石和辉石之间的Mg同位素分馏问题[29]。导致这些差异的原因可能包括2个方面：（1）不同实验室之间分析精度的差异可能导致不同的结论；（2）这些报道的橄榄岩包体具有不同的平衡温度，矿物之间的同位素分馏可能在不同的温度下平衡，因而同位素分馏值也不相同。

通过对东南澳大利亚、大别山I型花岗岩及中国东部“花岗岩组合样品”的研究发现：样品中SiO2和MgO变化范围较明显，但其Mg同位素组成与大洋玄武岩Mg同位素组成的变化范围相近，说明Mg同位素分馏在中酸性岩浆分异过程中不明显[13]。因此，高温部分熔融形成岩浆及其后的岩浆分异过程中平衡Mg同位素分馏不显著，可以利用Mg同位素来示踪岩浆源区。

2.4 镁同位素在岩浆分异过程中的行为

镁在地幔熔融和岩浆分异过程中是相容元素，岩浆中MgO含量一般随岩浆分异而降低。然而，在地幔部分熔融和玄武岩岩浆或花岗质岩浆分异过程中，全岩的镁同位素组成没有明显变化。火成岩岩浆分异过程中缺乏镁同位素分馏，表明玄武岩和花岗岩可以用来研究其源区的同位素变化[9]。

与硅酸盐岩浆作用相反，最近报道了碳酸盐岩浆作用过程中大量的Mg同位素分馏[31]。Li 等[31]通过对坦桑尼亚钠质碳酸盐岩和过碱性硅酸盐岩研究发现发现，与硅酸盐—碳酸盐岩液体不混溶无关的硅酸盐岩石具有与地幔值相近的δ26Mg值，而于液体不溶混而产生的源自硅酸盐熔体的样品具有较重的Mg同位素组成，结合质量平衡计算，表明碳酸盐熔体分离结晶过程中Mg同位素分馏，相对于分馏的碳酸盐矿物，重金属Mg同位素富集在残余熔体中。总的来说，镁同位素分馏在硅酸盐—碳酸盐液体不混溶和碳酸岩熔体的分离结晶过程中都可能发生，这使镁同位素成为与碳酸岩成岩有关的过程的潜在有用的示踪剂[30]。

3 展望

本文总结的研究表明，地质过程中存在着明显而系统的镁同位素分馏。由于硅酸盐岩浆分异和变质脱水过程中Mg同位素分馏有限，在低温过程中（特别是在碳酸盐中）产生的大的Mg同位素变化可以在俯冲过程中幸存下来，形成一个明显的地幔端元。因此，Mg同位素可作为地幔交代、俯冲碳酸盐岩和克拉通榴辉岩和大陆玄武岩成因的示踪剂。以下是镁同位素地球化学领域最重大的突出问题：

（1）地幔Mg同位素非均质性的成因仍需进一步研究。特别是，如果大陆玄武岩中镁同位素的巨大变化是由俯冲碳酸盐交代的橄榄岩的部分熔融引起的，则不同碳酸盐含量的橄榄岩应具有不均匀和轻的镁同位素组成。

（2）镁同位素来源中掺入了改变的洋壳和俯冲沉积物组成可能不同于MORB和其他OIB。它们的δ26Mg值取决于俯冲沉积物的性质，其中富含硅酸盐的同位素比MORB更轻，富含碳酸盐的沉积物比MORB更轻。

（3）由于源区不同，某些岛弧岩浆岩的镁同位素组成与MORB不同。例如，由于石榴石的Mg同位素组成比熔体和辉石轻，如果残留的石榴石在非模态部分熔融过程中对Mg含量起着重要的控制作用，则埃达克岩有望具有较高的δ26Mg值。尽管如此，除非它们包含来自俯冲板块的大量Mg，否则大多数岛弧熔岩应具有与MORB相似的镁同位素组成。

（4）高精度原位镁同位素分析的方法需要通过SIMS或LA-MC-ICPMS来建立，以快速检验矿物中的同位素分带。

（5）虽然初步研究表明，大洋玄武岩的海底蚀变导致了较大的Mg同位素分馏，但Mg同位素分馏的确切方向和大小尚不清楚，需要进一步研究。

（6）前人对来自徐淮高Mg埃达克（质）岩中代表华北克拉通中、下地壳及下覆岩石圈地幔包体镁同位素的研究表明，随着深度的增加，压力越大，会造成碳酸盐岩的变质交代作用越来越强，表现出越来越轻的镁同位素组成。蚀变洋壳Mg同位素组成主体仍近地幔值。因此，华北克拉通下地壳和洋中脊玄武岩具有显著不同的Mg同位素组成。从这个方面看，Mg同位素具有区分高Mg埃达克（质）岩是洋壳还是陆壳成因的埃达克（质）岩的潜力。

（7）由于不同储层具有不同的Mg同位素组成，镁同位素有潜力为大陆弧安山岩形成过程的提供重要的约束。

（8）仅用单一Mg 同位素示踪再循环碳酸盐也面临了新的问题，尤其是Mg同位素组成在许多碳酸盐化榴辉岩和沉积碳酸盐岩具有类似特征。为此，仍然需要去探索和发展新的能够有效示踪深部再循环碳酸盐的同位素体系，用以弥补单一应用Mg同位素示踪的不足之处。