锌在岩浆分异过程中的地球化学行为及其对磁铁矿结晶的指示作用

本研究通过高压高温实验系统探究了Zn在安山质-英安质熔体与主要造岩矿物（橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、石榴石、角闪石、黑云母、钛铁矿和磁铁矿）间的分配行为。研究人员发现Zn在磁铁矿中高度富集（DZnmgt/melt达3.9-11.4），显著高于其他矿物，证实Zn可作为岩浆演化过程中磁铁矿结晶的灵敏示踪剂。该发现为解析会聚板块边缘钙碱性岩浆的Fe亏损机制（MgO≈5wt%时磁铁矿+角闪石共结）提供了新工具，并揭示了中尺寸二价阳离子（Mg、Fe2+、Mn、Co、Ni、Zn）在硅酸盐熔体中的协同地球化学行为。

　　

地球深部岩浆演化过程中，铁元素的异常行为长期困扰着地质学家。在洋中脊玄武岩（MORB）体系中，随着岩浆分异，铁含量持续增加形成拉斑玄武岩趋势；而在会聚板块边缘的钙碱性岩浆中，铁却神秘地随SiO₂升高而减少。这个被称为"钙碱性趋势"的现象，被认为是大陆地壳形成的关键过程，但控制其发生的矿物相一直存在争议——究竟是石榴石、角闪石还是磁铁矿主导了这一过程？传统示踪元素钒（V）因存在多价态而受氧化还原条件干扰，亟需寻找更稳定的地球化学指标。

论文发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》的这项研究，通过创新的高压实验与微量分析技术，首次系统揭示了锌（Zn）在岩浆体系中的独特价值。研究团队设计了两类起始物质（N-MORB和GC-1玻璃），在0.5-3.5GPa、900-1200°C条件下，使用Au₇₅Pd₂₅和Au₇₃Pd₂₅Fe₁合金胶囊控制氧逸度（fO₂），通过活塞圆筒装置开展35组平衡实验。运用高电流电子探针（HP-EMPA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）精确测定矿物/熔体间的Zn分配系数，结合热力学建模揭示了Zn的地球化学行为规律。

【矿物/熔体分配行为】

实验数据显示Zn在不同矿物中呈现显著差异分配：在磁铁矿中强烈富集（D_Zn^mgt/melt=3.9-11.4），在橄榄石中中等兼容（D_Zn^ol/melt=1.6-3.6），而在石榴石（D_Zn^grt/melt=0.4-1.2）和角闪石（D_Zn^amp/melt=0.5-2.0）中相对不相容。这种分配序列源于Zn²⁺对四面体配位的独特偏好——磁铁矿的尖晶石结构提供理想配位环境，而硅酸盐矿物难以满足其配位需求。

【热力学控制机制】

通过建立lnD_Zn^ol/melt与lnD_Mg^ol/melt的线性关系（斜率0.64），发现Zn-Mg分配受熔体MgO含量控制：lnD_Zn^ol/melt=-0.64×ln[MgO]+1.60。对磁铁矿体系的热力学分析更揭示其分配系数受成分（Al₂O₃、Cr₂O₃、TiO₂）和温度共同调控，符合关系式：lnD_Zn^sp/melt=lnD_Mg^sp/melt+(-4230-470P+4720X_Al^sp+220X_Cr^sp+6340X_Ti^sp)/T。

【地质应用价值】

在天然岩浆体系中，当MgO含量降至5±1wt%时，Zn的突然亏损标志着磁铁矿进入共结组合。这一发现合理解释了钙碱性趋势中Fe的同步亏损现象，并证实该过程发生在FMQ+2（±1）的中等氧化条件下。相比传统使用的V，Zn作为氧化还原不敏感元素，能更可靠地识别磁铁矿分异事件，为理解大陆地壳成因提供了新工具。

这项研究不仅建立了Zn分配系数的预测模型，更开创性地提出"Zn示踪磁铁矿结晶"的新范式。其意义远超方法学创新——通过揭示中尺寸二价阳离子（Mg、Fe²⁺、Mn、Co、Ni、Zn）在硅酸盐体系中的协同规律，为理解行星岩浆演化提供了统一的理论框架。该成果对认识会聚板块边缘的岩浆分异、大陆地壳生长机制具有深远影响，未来可应用于古老变质岩的原岩重建和地外行星物质研究。