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大别山高压-超高压变质流体活动中的Si同位素分馏

2、地球化学 > 专题3：地球系统物质循环与层圈相互作用

俯冲带流体是壳幔物质循环的重要媒介，对于了解壳幔相互作用和物质运移至关重要（McCulloch and Gamble, 1991; Manning, 2004）。Si作为俯冲带流体中的重要溶质组分，其含量和存在形式对流体的物理化学性质及其他元素的行为有重要影响（Shen and Keppler, 1997; Bureau and Keppler, 1999）。Si同位素可能成为示踪俯冲带流体活动及物质循环的有效工具，然而目前对于俯冲变质流体Si同位素组成的理论计算与自然样品观测结果均较为缺乏。俯冲带变质岩脉是高压-超高压变质流体演化的重要产物，记录了流体活动的重要信息(Becker et al., 1999; Spandler and Hermann, 2006)，为了研究变质流体活动中的Si元素迁移过程和同位素分馏机制，我们对中国东部大别山港河和花凉亭地区的两处高压-超高压榴辉岩-脉体系统以及单矿物进行了Si同位素分析。测定在中国科学技术大学中科院壳幔物质与环境重点实验室MC-ICP-MS实验室完成，δ30Si的分析精度达到0.06‰（2SD）以内。
分析结果表明两组样品的脉体和榴辉岩围岩之间存在显著的Si同位素分馏。其中港河地区的榴辉岩δ30Si = −0.50~−0.39‰，绿辉石-绿帘石脉体的δ30Si = −0.63 ± 0.04‰。花凉亭地区的榴辉岩δ30Si = −0.42~-0.29‰，岩脉的Si同位素组成变化较大，三种不同组成的脉体绿辉石-绿帘石脉、绿帘石-石英脉和蓝晶石-绿帘石-石英脉的δ30Si值分别为−0.45‰到−0.44‰、−0.24‰到−0.16‰和0.01‰到0.05‰。港河和花凉亭脉体中单矿物δ30Si值分布为石英（−0.14~0.10‰） ≈ 白云母（−0.01~0.13‰） > 绿辉石（−0.63~−0.33‰）≈ 绿帘石（−0.60~−0.30‰）≈ 蓝晶石（−0.42~−0.28‰）> 石榴石（−0.92~−0.44‰）。此外，利用第一性原理计算方法得到的1000K下石英−绿帘石、石英−蓝晶石、石英−白云母之间的30Si平衡分馏值分别为0.51‰、0.49‰和0.08‰，和实际测量结果（港河样品：Δ30Si石英-绿帘石 = 0.43‰，Δ30Si石英-蓝晶石 = 0.40‰；花凉亭样品：Δ30Si石英-白云母 = 0.00‰，Δ30Si石英-绿帘石 = 0.44‰，Δ30Si石英-蓝晶石 = 0.42‰）基本一致，这说明脉体中矿物可能经历了从流体中平衡结晶的过程。
花凉亭脉体中不同期次结晶产物之间具有显著的δ30Si−SiO2线性正相关关系（拟合表达式为y = −1.0892 + 0.0144x，斜率大于岩浆演化过程的斜率0.0056），显示了Si同位素在流体活动过程中的演化趋势。结合脉体矿物学的组成，我们认为脉体的Si同位素组成主要受到矿物种类和它们在脉体中的相对含量控制。同时脉体中矿物表现出的持续升高的δ30Si变化趋势也反映了流体δ30Si值的变化，根据我们的计算结果，花凉亭流体的初始δ30Si值约为−0.22 ± 0.08‰，而到结晶的最后阶段，流体的δ30Si值上升至约−0.07 ± 0.10‰。