近年來(lái)，鉀(K)同位素的高精度分析技術(shù)快速發(fā)展并被廣泛用于各種地質(zhì)過(guò)程示蹤。K作為流體活動(dòng)性元素，在大多數情況下，其重同位素更傾向于進(jìn)入流體相。例如俯沖板塊脫水釋放重K同位素而產(chǎn)生高δ41K的弧巖漿，理論上脫水后的板塊進(jìn)一步熔融則會(huì )產(chǎn)生同位素相對較輕的巖漿作用。然而后碰撞和板內環(huán)境的一些鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖石并未顯示比弧巖漿更輕的鉀同位素組成。鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖石的形成通常會(huì )經(jīng)歷富K礦物的分離結晶和/或熔體不混溶作用，這兩個(gè)過(guò)程能否引起K同位素分餾尚存疑問(wèn)。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所成礦元素與同位素實(shí)驗室自2022年建立并優(yōu)化了K同位素分析方法（Li et al., 2022, SC-ES; Li et al., 2023, JAAS）以來(lái)，相繼開(kāi)展了諸多K同位素地質(zhì)過(guò)程的示蹤研究。蘇本勛研究員及其合作者對我國西秦嶺地區一套由玄武質(zhì)巖石和碳酸巖組成的火山巖進(jìn)行了K同位素分析。
野外產(chǎn)出關(guān)系、顯微鏡下觀(guān)察（圖1）以及地球化學(xué)組成（圖2）均表明，這套巖石經(jīng)歷了典型的硅酸鹽和碳酸鹽熔體不混溶和金云母分離結晶過(guò)程。玄武質(zhì)巖石的K同位素組成明顯重于其金云母斑晶，并與結晶分異的地球化學(xué)參數呈現較好的相關(guān)性（圖3），表明金云母分離結晶作用可以造成巖漿向富集重K同位素的方向演化（圖4a）。碳酸巖與玄武質(zhì)巖石之間的元素與同位素的系統差異與熔體不混溶過(guò)程密切相關(guān)（圖3）。通過(guò)不同構造背景下火山巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)對比，揭示低K含量而不結晶富K礦物的火山巖的同位素組成可能更多反映了其地幔源區的特征，而相對高K含量火山巖的K同位素組成還會(huì )受到富K礦物分離結晶的影響（圖4b, 圖4c）。進(jìn)而，作者提出在不同構造背景下源區和分異演化對幔源巖漿K元素及其同位素的差異性影響（圖5）。
圖1 西秦嶺玄武質(zhì)巖石及碳酸巖經(jīng)歷了熔體不混溶和金云母分離結晶過(guò)程的野外及巖石學(xué)顯微證據
圖2 西秦嶺玄武質(zhì)巖石及碳酸巖經(jīng)歷了熔體不混溶和金云母分離結晶過(guò)程的地球化學(xué)證據
圖3 西秦嶺玄武質(zhì)巖石及碳酸巖的K同位素組成及其與熔體不混溶和金云母分離結晶地球化學(xué)參數的相關(guān)性圖解
圖4 西秦嶺玄武質(zhì)巖石K同位素組成與巖漿演化的模擬計算以及與不同構造背景下火山巖的對比
圖5 不同構造背景下源區和分異演化對幔源巖漿K元素及其同位素差異性影響的模式圖
研究成果發(fā)表于AM（蘇本勛，潘旗旗，白洋，李文君，崔夢(mèng)萌，彭君能. Potassium isotope fractionation during silicate-carbonatite melt immiscibility and phlogopite fractional crystallization [J]. American Mineralogist, 2024, 109: 591-598. DOI: 10.2138/am-2022-8898.），研究受中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所實(shí)驗技術(shù)創(chuàng )新項目（TEC 202103）和中國科學(xué)院青促會(huì )共同資助。
