原始地幔的Zn同位素组成和不同类型地幔交代过程中Zn同位素的分馏行为

Knowledge of Zn isotopic composition of Earth’s primitive mantle (PM) is the prerequisite for investigating some important scientific issues, such as planetary evolution and crust-mantle interaction. However, the δ66Zn values of the PM reported by previous studies are controversial. Thus, this project plans to systematically determine Zn isotopic compositions of well-characterized spinel peridotites and garnet peridotites devoid of mantle metasomatism as well as their constituent minerals from Siberia, Monglia, Kaapvaal, and North China. The results are used to give a robust constraint on the Zn isotopic composition of the PM and the magnitude of equilibrium inter-mineral Zn isotope fractionation at high temperatures. On this basis, Zn isotope ratios will be analyzed for two sets of peridotites which had experienced varying degrees of mantle metasomatism by different types of melts. The Zn isotopic data of bulk rocks, combined with Zn isotopic compositions of mineral separates as well as previously-published petrological and geochemical data, will reveal the direction, magnitude, and mechanism of Zn isotope fractionation during mantle metasomatism of different types as well as their possible effect on Zn isotope fractionation between minerals in peridotites. These results will provide an important constraint on Zn isotope fractionation behavior during mantle metasomatism at both bulk-rock and mineral scales.

原始地幔的Zn同位素组成是利用Zn同位素研究行星演化和壳幔相互作用等重要科学问题的基础。然而，前人给出的原始地幔Zn同位素组成尚存在争议（δ66Zn从0.15‰到0.30‰）。为此，申请人拟对Siberia、Mongolia、Kaapvaal和华北等地经前人研究证实为未受地幔交代作用改造的尖晶石橄榄岩和石榴石橄榄岩全岩和单矿物进行系统的Zn同位素分析，用以限定原始地幔的Zn同位素组成以及地幔矿物间Zn同位素平衡分馏的尺度。在此基础上，申请人拟进一步分析Siberia和Mongolia经历不同程度和不同成分熔体交代作用改造的橄榄岩全岩和单矿物的Zn同位素组成，结合已发表的岩石学和地球化学资料，查明不同类型地幔交代过程中Zn同位素的分馏方向、尺度以及机制，探讨交代作用对地幔矿物间Zn同位素分馏的可能影响。这些研究结果将为不同类型地幔交代过程中全岩和矿物尺度的Zn同位素分馏行为提供重要制约。

查明硅酸盐地球的同位素组成和不同地质过程中同位素的分馏行为是开展同位素地球化学示踪的前提。橄榄岩、辉石岩、玄武岩、榴辉岩及组成矿物的Zn同位素研究能够制约硅酸盐地球的Zn同位素组成、揭示地幔过程和矿物间Zn同位素分馏机理，以及发展Zn同位素示踪壳幔物质循环。本项目研究了俄罗斯、蒙古利亚、意大利、捷克和中国等地不同类型的橄榄岩、辉石岩和组成矿物，以及中国东部新生代玄武岩和南非包体榴辉岩的Zn同位素组成。主要研究结果和结论是：1）估计硅酸盐地球的δ66Zn为0.18 ± 0.07‰ (2SD)；2）厘定地幔矿物富集重Zn同位素的顺序为尖晶石>橄榄岩~单斜辉石~斜方辉石~金云母>石榴石，其中尖晶石和橄榄石之间的平衡分馏值Δ66ZnSp-Ol 为0.12 ± 0.08‰ (2SD)；3）部分熔融和硫化物熔体交代对橄榄岩的Zn同位素影响很小，硅不饱和熔体交代会导致地幔富集重Zn同位素，以及熔体-橄榄岩反应会产生Zn同位素动力学分馏；4）华南新生玄武岩的δ66Zn为0.27 ~ 0.50‰，反映地幔源区含有古太平洋板块不同性质的壳源物质；5）原生包体榴辉岩的δ66Zn（0.24-0.54‰）与δ26Mg（-1.1 ~ -0.14‰）呈现负相关性，说明榴辉岩的同位素特征是深部熔体-橄榄岩反应引发的Zn-Mg同位素动力学分馏导致，证明包体榴辉岩是深部熔体高压结晶形成。本项目确定了硅酸盐地球的Zn同位素组成，揭示了地幔部分熔融和不同性质熔流体交代地幔过程中Zn同位素的分馏机理，为利用Zn同位素示踪物质循环及相关的地球化学分异、岩浆作用和地幔演化提供了关键的理论基础，促进了Zn同位素地球化学的发展。同时，尝试利用Zn同位素示踪板内玄武岩和包体榴辉岩成因，扩展了Zn同位素地球化学的研究领域。