实验标定绿辉石－石榴石镁同位素地质温度计

The PI's previous work demonstrated large equilibrium Mg isotope fractionation between omphacite and garnet in Bixiling eclogites (Δ26Mg Omp-Grt = 1.14 ± 0.04‰, cf. the 2σ uncertainties of ± 0.10‰ for δ26Mg). This makes omphacite-garnet Mg isotope fractionation a novel potential thermometry. Establishing the omphacite-garnet Mg isotope fractionation equation is thus the prerequisite for precisely applying this thermometry. However, no related research is performed yet. In this project, we intend to carry out piston-cylinder experiments to determine the equilibrium Mg isotope fractionation factors (α) between omphacite and garnet under different temperatures and pressures. The obtained "α - T - P" data allow quantitative evaluation of the equilibrium Mg isotope fractionation as a function of temperature and pressure and, therefore, provide experimental calibration of the omphacite-garnet Mg isotope thermometry. This will add new constraints to studies of temperature for metamorphic rocks. In addition, utilizing the experimental products in thermodynamic equilibrium, we can also experimentally determine the trace element partitioning coefficients and equilibrium Fe isotope fractionation factors among omphacite, garnet and carbonatite melt.

申请人前期的研究发现碧溪岭榴辉岩中绿辉石－石榴石之间存在大的Mg同位素平衡分馏（Δ26Mg绿辉石－石榴石 =1.14±0.04‰）。考虑到目前δ26Mg值分析误差仅为±0.10‰（2σ），如此大的矿物间平衡分馏可以被应用为全新的Mg同位素地质温度计。但是，要精确地使用该温度计测温，必须建立绿辉石－石榴石Mg同位素分馏方程，目前尚缺乏相关的研究工作。因此，本项目拟利用活塞圆筒压机开展高温高压实验来测定不同温度和压力下绿辉石－石榴石Mg同位素平衡分馏系数（α）。根据实验获得的"α-T-P"数据，定量研究绿辉石－石榴石Mg同位素平衡分馏系数对温度和压力的关系，从而建立绿辉石－石榴石Mg同位素地质温度计，为研究变质作用的温度提供新的制约手段。此外，因为本实验要求产物中不同物相之间达到热力学平衡，本研究还有可能对绿辉石－石榴石－碳酸盐熔体之间微量元素分配系数和Fe同位素平衡分馏系数进行实验测定。

准确标定单斜辉石—石榴子石Mg同位素分馏方程（即Δ26MgCpx-Grt = 1000lnαCpx-Grt = A×10^6/T^2，T为绝对温标）是应用“单斜辉石—石榴子石Mg同位素温度计”精确测温的前提。本项目采用“三同位素交换法”，对“单斜辉石+石榴子石+水”体系开展活塞圆筒压机实验，测定了单斜辉石—石榴子石之间的Mg同位素平衡分馏系数（αCpx-Grt）。经过不断摸索和完善，我们制成了Mg同位素组成均一的初始物料粉末，设计了合适的样品仓，确定了合适的初始物料装填量和体系水含量。经验证，实验产物中生成了单斜辉石和石榴子石颗粒，“同位素交换率”能够满足“三同位素交换法”实验结果拟合的需要。在此基础上，我们在800oC、2GPa和900oC、2GPa温压条件下分别开展“时间系列实验”。高精度Mg同位素测定结果显示实验产物与初始物料的Mg同位素组成在“三同位素”图解中构成良好的线性关系。计算给出800oC、2GPa和900oC、2GPa下Δ26MgCpx-Grt分别为0.40 ± 0.12‰（SD）和0.27 ± 0.07‰（SD）。据此拟合获得的分馏方程为Δ26MgCpx-Grt = 0.40(±0.08, SD)×10^6/T^2。该结果与理论计算和自然样品研究给出的结果差别很大，具体原因有待进一步研究。本项目研究提供了实验测定单斜辉石—石榴子石之间Mg同位素平衡分馏系数的具体技术路线并首次获得了实验测定的αCpx-Grt。