钒同位素高温下的分馏机制、储库组成及重要应用

Vanadium has two stable isotopes, 50V and 51V. As a multi-valent element, geochemical properties of V are very sensitive to the redox conditions of the systems. Therefore, V isotopes can be significantly fractionated during petro-geochemical processes related to oxygen fugacity (fO2) variation. V isotopes have recently been used as a novel geochemical tool, showing the potential of studying a number of fundamental Earth science problems, including planet formation, core-mantle segregation, crust-mantle evolution, magmatism, and magmatic ore deposit formation. We have developed high precision method for V isotope analyses in the University of Science and Technology of China. On the basic of analytical method, this project is going to: (1) study V isotope fractionation mechanism at high temperature by combining measurement of natural samples and experimental petrology; (2) determine δ51V of chondrites, mantle peridotites, mantle-derived igneous rocks, and materials from the upper continental crust to constrain V isotope compositions of the main reservoirs; and (3) constrain the temporal and spatial variation of fO2 of the upper mantle and formation of magmatic Fe-Ti oxide ores. This project will improve the progress of V isotope geochemistry, which is helpful for application of this novel tool to studies of high and low temperature geological processes.

V有两个稳定同位素，50V和51V。作为变价元素，V的地球化学性质对环境的氧化还原状态非常敏感，因此V同位素可以在和氧逸度变化相关的岩石地球化学过程中发生显著分馏。近年来，V同位素作为新的地球化学工具，显示了在行星形成、核幔分异、壳幔演化、岩浆作用、岩浆矿床形成等重要地球科学问题研究中的应用潜力。开展V同位素研究的前提是认识其分馏机制，查清重要储库的V同位素组成。我们已经在中国科大建成了高精度的V同位素分析方法。在此基础上，本项目计划：（1）结合自然样品的同位素测量和高温高压实验来研究V同位素在高温下的分馏机制；（2）利用球粒陨石、地幔橄榄岩、幔源岩浆岩、上地壳物质来确定主要储库（陨石、地幔和大陆地壳）的V同位素组成；（3）利用V同位素地球化学来制约地幔氧逸度的时空变化和岩浆Fe-Ti氧化物矿床的成因。本项目能够推进V同位素地球化学的发展，有助于应用这一新体系到高温和低温地质过程的研究中。

作为变价和第一行过渡金属元素，V对环境的氧化还原变化非常敏感，其同位素可以在和氧逸度变化相关的岩石地球化学过程中发生显著分馏。V同位素作为新的地球化学工具，可以在行星形成、核幔分异、壳幔演化、岩浆作用、岩浆矿床形成的研究中有很好的应用潜力，因此是广受关注的前沿方向。在自然科学基金委的资助下，本项目改进了分析精度，从0.10‰（2SD，下同）进步到了0.08‰，达到国际最好水平。通过自然样品测量和岩石学实验，查清了V同位素的分馏机制，厘定了重要储库的V同位素组成，开展了重要的地球科学应用。本项目获得了大量的V同位素数据（δ51V），包括球粒陨石（~-1.1‰）、地幔（-0.91±0.09‰)、洋中脊玄武岩（-0.84±0.09‰）、蚀变洋壳（-0.85‰±0.10）、岛弧岩浆岩（-0.5‰ - -0.86‰）、冰碛岩（-0.4‰ – -0.87‰）、中国东部新生代玄武岩（-0.5‰ – -0.8‰）、攀枝花层状岩体（-0.35‰ - 1.70‰）、Fe-Mn结壳（-0.98‰ – -1.65‰)）等；发现V同位素在地幔熔融时，可以发生能够被鉴别的同位素分馏；V同位素在岩浆演化早期受硅酸盐分离结晶控制，在晚期更多受Fe-Ti氧化物控制；估计了地幔矿物之间的分馏系数，在~1000oC时，Δ51Vcpx-opx=0.18 to 0.22‰，Δ51Vspl-opx=0.10 to 0.14‰，岩浆演化时，Δ51Vmineral-melt=-0.15*106/T2（T为温度，kelvin）；实验测量了金属熔体和硅酸盐熔体之间的V同位素分馏系数，发现金属熔体的成分对分馏系数的影响；发现玄武岩风化成砖红壤的过程中，虽然V发生了显著的丢失，V同位素没有发生显著分馏；发现冰碛岩的V同位素可以用来制约大陆上地壳成分的演化和板块构造的起源；不同时代的科马提岩具有类似的V同位素组成，暗示地幔的氧逸度从30亿年来没有显著变化。在本项目的支持下，我们还开展了Ba和Si同位素的研究，特别是建立了Ba同位素方法，深入系统的探索了Ba同位素地球化学的示踪原理和应用。总共表25篇论文（含三篇中文论文），其中Nature Index刊物11篇。本项目完成了既定的研究任务，将来会有效的推进V同位素地球化学的发展，促进V同位素在高温和低温地质过程中的应用研究。