热梯度下玄武岩体系中稳定同位素分馏的实验研究

Thermal gradient is ubiquitous during geological and magmatic processes in the Earth, but the thermal diffusion effect driven by which has not been regarded so far. Being two patterns of manifestation for thermal diffusion, both elemental thermal migration and isotopic thermal diffusion fractionation are the windows into observe how thermal diffusion works. On the basis of reformed high pressure equipments, newly-established experimental methods, and in particular study results and experimental charges from the NFSC project on elemental thermal migration, this project is to further investigate O, S, H, Li, Ca isotope fractionations associated with thermal diffusion in molten or partially-molten basaltic systems. The aims are as fellows: 1) to determine the magnitude of the stable isotope fractionation by thermal diffusion; 2) to ascertain the effects of pressure, temperature, run time, starting material, oxygen fugacity and equilibrium crystal fractionation on the magnitude of the stable isotope fractionation; 3) finally to discuss the effect of thermal diffusion during geological and magmatic processes by establishing a recognition method based on elemental and isotopic signatures for thermal diffusion.

温度梯度在地球、地质及岩浆过程中普遍存在，由它驱动的化学成分热扩散作用至今未受足够的重视。作为热扩散作用的两种表现形式，元素热迁移和同位素热扩散分馏是深入了解热扩散作用的窗口。本项目将立足于青年基金项目资助下改造完成的实验设备和探索出的实验技术，尤其是获得的元素热迁移的研究成果和实验样品，补充开展部分热扩散实验，继而对热梯度下玄武质熔体和部分熔融的玄武质体系中O、S、H、Li和Ca等稳定同位素开展研究，确定这些同位素的分馏尺度以及压力、温度、反应时间、初始成分、氧逸度和矿物分馏等因素对同位素分馏尺度的影响。在此基础上，结合元素热迁移的成果，探讨热扩散作用在岩浆或地质过程中的效应，并构建热扩散作用的元素-同位素识别方法。

温度梯度在地球、地质及岩浆过程中普遍存在，由它驱动的化学成分热扩散作用至今未受足够的重视。作为热扩散作用的两种表现形式，元素热迁移和同位素热扩散分馏是深入了解热扩散作用的窗口。本项目通过实验模拟了热梯度下硅酸盐熔体和部分熔融的硅酸盐体系中的主、微量元素热迁移行为及O、H、Li和Fe等稳定同位素的分馏。在全玄武质熔体体系中，镁铁质元素倾向于富集在冷端，硅倾向于富集在热端；在部分熔融的玄武质体系中，硅倾向于富集在冷端，而镁铁质元素倾向于富集在热端，这主要归因于矿物分离结晶的影响远远超过热扩散。重的稳定同位素倾向于富集在冷端，轻的同位素倾向于富集在热端，这是其相对质量差引起的热碰撞造成的。在达到稳态的同位素分馏之前，稳定同位素的分馏受制于反应时间、温度、压力和初始体系组分；达到稳态之后，温度差是主控因素。改网元素（Li、Fe）比成网元素（O）达到稳态的同位素分馏的速率要快得多。水的存在可以大大加快元素迁移和同位素分馏的速率，减少达到稳态所需要的时间，且使热扩散发生的可能性大大增大。Fe和Mg元素、Nb/Ta和Zr/Hf比值以及Li、Fe同位素对岩浆系统中的温度梯度非常敏感，可用来识别岩浆及地质过程中的热扩散作用。