锌在矿物与熔体间的分配行为及其对汇聚边缘岩浆中铁耗竭趋势起源的启示

本研究通过高压高温实验，系统探究了Zn在安山质-英安质熔体与橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、石榴石、角闪石及磁铁矿等矿物间的分配行为，揭示了Zn作为磁铁矿分馏指示剂的独特优势，阐明了磁铁矿+角闪石结晶是导致钙碱性系列岩浆Fe耗竭和SiO2富集的关键机制，为理解汇聚边缘岩浆演化提供了新的地球化学示踪工具。

　　

在地球科学领域，汇聚边缘岩浆的演化机制一直是研究的焦点。传统观点认为，钙碱性岩浆系列中铁元素的耗竭趋势（即随着岩浆演化Fe含量相对Mg和Si降低的现象）与磁铁矿、角闪石或石榴石等矿物的结晶分异有关。然而，由于缺乏有效的地球化学示踪剂，这一过程的精确机制长期存在争议。锌（Zn）作为一种特殊的二价阳离子，因其对四面体配位的强烈偏好和在尖晶石类矿物中的高度相容性，可能成为解决这一问题的关键钥匙。

发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》的这项研究通过创新的实验设计和精确分析，首次系统揭示了Zn在不同矿物/熔体体系中的分配规律。研究人员采用活塞圆筒装置在0.5-3.5 GPa和900-1200°C条件下，模拟了含水安山质-英安质熔体与多种矿物的平衡过程。关键技术包括：1）使用Au₇₅Pd₂₅和Au₇₃Pd₂₅Fe₁合金胶囊控制氧逸度；2）结合高电流电子探针（HP-EMPA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）测定Zn含量；3）利用Re-ReO₂缓冲剂精确控制氧化条件。

在"矿物/熔体分配系数"部分，研究发现Zn在磁铁矿中的分配系数（D_Zn^mgt/melt）高达3.9-5.3，显著高于其他矿物。这一特征使Zn成为识别磁铁矿结晶的可靠指标，类似于Ni指示橄榄石分异的作用。通过构建lnD_Zn^ol/melt与lnD_Mg^ol/melt的相关关系，研究人员建立了温度-压力-熔体成分的定量模型，揭示Zn与Mg在晶体化学行为上的系统差异。

"热力学分析"部分提出了创新的分配系数参数化方案。研究发现当岩浆分异至MgO含量约5±1 wt%时，磁铁矿开始进入共结组合。此时Zn与V的协同耗减表明该过程发生在FMQ+2（±1）的中等氧化条件下（FMQ为铁橄榄石-磁铁矿-石英缓冲剂）。这一发现直接证实了磁铁矿+角闪石结晶是导致钙碱性趋势中Fe耗竭的主控因素。

在"讨论"部分，作者强调了Zn示踪技术的三大优势：1）与V不同，Zn在硅酸盐熔体中仅以Zn²⁺存在，不受氧逸度变化的复杂影响；2）Zn在尖晶石中的高相容性（D_Zn^sp/melt>1）使其分馏信号更易识别；3）Zn-Mg分配关系的温度依赖性为重建岩浆房过程提供了新的温度计。

这项研究不仅解决了长期存在的地球化学难题，更重要的是建立了基于Zn的岩浆演化示踪新方法。其建立的分配系数数据库和热力学模型，为理解大陆地壳形成过程中的岩浆分异机制提供了关键工具，对认识汇聚边缘的成矿作用和深部碳循环都具有重要意义。未来研究可将该方法与Zn同位素结合，进一步约束岩浆房过程的时空尺度。