為什麼自然界巖漿系統未發現溫度梯度導致的鎂同位素分餾

     高溫高壓實驗證明穩定的溫度梯度可以導致同位素發生分餾，也就是Richter效應。但是，Richter效應只在實驗室中有記錄，雖然自然界巖漿系統存在溫度梯度，而自然界並沒有對應的Richter效應觀察現象。

     為了解決這一理論與觀察事實的矛盾，本研究做了系列理論分析與計算。文章認為實驗室以純熔體相為實驗條件得出的Richter效應不能直接應用於自然界條件。因為自然界巖漿溫度基本低於液相線，溫度梯度會導致兩端結晶，進而熔體部分產生濃度梯度，而在濃度梯度下的物質擴散又會驅動輕重同位素發生動力學分餾；此外，熔體部分自身發生的Soret效應（溫度梯度中純熔體相發生的物質不均一現象）也無法達到穩定狀態，將產生擴散導致的同位素動力學分餾。

    以上兩種分餾過程都對Richter效應產生影響。文章以加拿大Alexo噴發的科馬提巖巖漿流的鎂同位素為例，指出擴散導致的同位素動力學分餾可以緩衝或抵消Richter效應，為理解自然界巖漿系統在冷卻固結過程中的同位素分餾提供了新的觀點。

行星巖漿系統存在溫度梯度，如巖漿房中的巖漿與圍巖接觸帶、噴發到行星表面的巖漿、行星早期的巖漿洋內部等。均一的巖漿在溫度梯度下元素和同位素都會發生變化。因此，研究溫度梯度下的元素分異及同位素分餾對理解行星巖漿演化非常重要。研究溫度梯度下元素與同位素的重要方法之一是高溫高壓實驗。芝加哥大學Frank M Richter教授、伊利諾伊大學Lundstrom教授、中國科學技術大學黃方教授做了大量工作，為該領域奠定了堅實的基礎。然而自然界巖漿系統鮮有報導溫度梯度導致的同位素分餾。對該問題的傳統認識是：熱的擴散速率大於物質的擴散速率，在擴散發生之前熱梯度已經消失。本研究從另外的視角去認識該問題，簡介如下：

Richter效應(δ1)

輕同位素傾向在熱端富集，重同位素傾向在冷端富集（圖1）。典型的Richter效應是介於平衡和動力學分餾之間的「穩定」狀態，雖然兩端的溫度不同，但是達到穩定後任何一個溫度截面不再有物質的淨通量。雖然Richter效應的發生機制還不完全清楚，但是分餾值可以通過實驗結果及以下公式計算：

圖1 Richter效應

在兩端溫度低於液相線的情況下，沿溫度梯度方向會產生濃度梯度，進而發生擴散，該現象也被稱為熱遷移（thermal migration）。簡單的二元A-B系統中的熱遷移過程如圖2所示：1）初始成分為X的物質置於溫度梯度下，沿溫度梯度方向發生A相結晶量的不同，殘餘熔體中產生濃度梯度，底部熔體A含量較低，頂部熔體A含量較高；2）沿濃度梯度發生擴散，A從頂部向底部擴散，進而導致底部熔體A含量增加，在該溫度下導致熔體-固體間化學平衡向固體方向進行，進而更多A從熔體中結晶；同時頂部熔體中A相減少，導致A結晶重新溶解回熔體；3）熱遷移持續進行，最終熱端全為熔體，冷端全為固體。在熱遷移發生的過程中，輕同位素擴散較快，導致熔體部分存在因擴散導致的同位素分餾（即冷端更富集A元素的輕同位素，與Richter效應相反）。

圖2 二元系統熱遷移相圖

在兩端溫度均高於液相線的純熔體中，Soret效應可以達到穩定狀態，即兩端元素含量均不受結晶的影響，然而在低於液相線的部分熔融體的熔體部分Soret效應無法達到穩定。例如，Mg元素在兩端高於液相線的純熔體相中可以在低溫端富集，而在部分熔融體的熔體部分不能無限富集，因為Mg在熔體中的含量還受到與熔體平衡的晶體的影響。因此，Mg會持續從高溫端向低溫端擴散（Soret擴散趨勢），在低溫端又被更多的結晶所消耗。該過程類似熱擴散效應，但驅動力不同，進而產生額外的輕重同位素分餾。分餾值可根據以下公式計算：

本文以加拿大Alexo地區噴出地表的科馬提巖Mg同位素為例做計算。該巖漿熔體被認為在冷卻過程中自上至下存在溫度梯度，在22cm的長度內溫度梯度為1200~1270℃(Bouquain et al., 2009)。βMg為0.05(Richter et al. 2009)；Soret係數(σMg)不確定性較大，與實驗本身和系統水含量有關，可從10-2 (Walker and Delong, 1982) 到 10-5 (Latypov, 2003)；某溫度下MgO在熔體中的含量採用Niu et al., (2002)的計算方法

結果如下

實驗結果表明：由於擴散導致的Mg同位素動力學分餾較大，與Richter效應在一個數量級且與Richter效應方向相反，在不確定區間內可以緩衝或抵消Richter效應；但是由於 Soret係數變化範圍較大，Soret係數決定的δ3變化也較大，在實驗精度更高和對該科馬提巖初始水含量及其他控制條件研究更加深入之後可進行更精確的計算。對於加拿大Alexo科馬提巖為觀察到顯著Mg同位素的解釋如圖3所示：t1：巖漿噴出地表，表面形成淬火層，溫度地表溫度快速升溫到接近液相線，內部自下而上形成溫度梯度，Richter效應導致內部發生同位素分餾，重Mg同位素在低溫富集；t2：巖漿流逐漸降溫，淬火層以下開始冷卻結晶，熱遷移及非穩態的Soret效應導致的擴散發生，進而導致輕Mg同位素在低溫端熔體相富集，三者互相減緩或抵消；t3：巖漿流進一步降溫，熔體在垂直方向無可觀察的Mg同位素分餾，保存在冷卻固結後的剖面巖石中也不存在Mg同位素分餾。

圖3 噴發後巖漿流在溫度梯度下冷卻Mg同位素分餾模型

     以上成果發表於Geological Magazine雜誌，論文第一作者是中國科學院地球化學研究所月球中心副研究員許英奎，通訊作者是中國科學院地球化學研究所朱丹和劉建忠研究員。該成果得到中科院類地行星先導專項（XDB41000000）、國家自然科學基金（41773064、41573040和41931077）以及中科院創新交叉團隊項目資助。

論文信息：

Yingkui Xu, Dan Zhu*, Xiongyao Li and Jianzhong Liu*(2020). Why magnesium isotope fractionation is absent in basaltic melts under thermal gradients in natural settings. Geological Magazine. 157:1144-1148. doi.org/10.1017/S0016756819001304

作者：許英奎

編輯：李婧

審核：李陽

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