高温地质过程Cr同位素分馏的几个问题的研究

According to recent works, Cr isotope composition of the mantle is heterogeneous, mainly attributing to the isotope fractionations during high temperature geological processes and recycling materials metasomatisms. Due to that the isotope fractionation mechanisms are unconstrained, hindering the further applications of Cr isotope system for geological processes. This project firstly is intended to investigate the high temperature inter-mineral Cr isotope fractionation for mantle peridotites, by means of the model speculation and natural samples determinations. Secondly, due to that subduction zones are the important channels of crustal material recycling into mantle, this project will systematically conducted Cr isotope compositions of different metamorphic rocks from the oceanic orogen. Combined with the previous works on the continental orogen, this project will help to investigate the Cr isotopic behaviors during metamorphic dehydrations of the subducted slabs, and to construct a basic framework of Cr elemental and isotopic recycling in subduction zones. Dehydration of serpentinite during the subduction of the oceanic crust is an important source of slab-derived fluid. Previous studies proposed that the serpentinization could shift the Cr isotopic compositions of the peridotites to isotopically heavier side. This project will also focus on the Cr isotope compositions of the UHP metamorphic serpentinites, aiming to investigate Cr isotope behaviors of serpentinites during slab subduction and the potential effects on Cr isotope composition of the mantle. Ultimately, the project will provide the data bases and further reliable research directions for Cr isotope heterogeneities of the mantle and the potentially geological applications of the Cr isotope system.

近期研究表明，地幔的Cr同位素组成并不均一，主要表现为高温地幔熔融/岩浆分异过程和循环地壳物质的交代过程中均存在分馏，由于相关机制尚不明确，制约了Cr同位素体系的进一步地质应用。本项目拟首先通过模型计算和自然样品测试相结合，查明地幔矿物之间的Cr同位素分馏及控制因素。其次，由于俯冲带是地壳物质再循环的重要通道，本项目也拟通过对大洋造山带各变质岩石端元进行Cr同位素研究，结合早期大陆俯冲带的工作，查明在板块俯冲过程中Cr同位素分馏行为，构建俯冲带Cr元素和同位素循环的基本框架。由于蛇纹岩作为俯冲洋壳中重要的流体来源，同时具有很重的Cr同位素组成。本项目同时计划对经历超高压变质的蛇纹岩进行Cr同位素研究，探讨它们在俯冲过程中Cr同位素行为及对地幔Cr同位素组成的可能影响。本项目将通过以上工作为研究地幔不均一性及Cr同位素潜在地质应用提供数据基础和可靠的研究方向。

铬（Cr）稳定同位素是近些年来新开发的重要的金属同位素体系之一，然而，目前缺少对高温过程中Cr同位素分馏行为的认识阻碍了Cr同位素体系的进一步应用。因此，我们开展了以下一系列工作：首先对全球7个克拉通的45个地幔捕掳体的Cr同位素组成研究表明，地幔具有不均一的Cr同位素组成，指示地幔部分熔融过程中存在Cr同位素分馏，可能受矿物-熔体之间的分馏系数控制；随后，我们对中国东部北岩地区新生代玄武岩中的地幔橄榄岩包裹体进行了详细的矿物Cr同位素分馏系数的确定，包括两种方式：（1）建立了矿物之间Cr同位素分馏的理论模型，并通过同步辐射技术测定了主要造岩矿物中Cr的价态比例。将价态比例带入模型，计算出矿物-矿物之间理论的分馏系数；（2）挑选无蚀变的矿物，进行高精度同位素分析。将两者进行对比，获得地幔矿物之间的Cr同位素分馏系数，并建立了Cr同位素分馏与氧逸度环境的定量关系；最后，我们通过对夏威夷洋岛玄武岩进行全岩Cr同位素研究，并结合月球-灶神星基性岩的Cr同位素的研究结果，建立了受氧逸度控制的玄武质岩浆演化模型。该模型很好地解释了月海玄武岩、火星陨石和灶神星陨石的 Cr 同位素组成。该工作为太阳系行星系统之间的 Cr 同位素差异提供了另一种解释（前人认为地球、月球和灶神星的 Cr 同位素差异反映了氧化性物质的挥发）。.此外，我们也对Cr同位素体系在俯冲带的潜在应用进行了初步探索，系统对比研究了陆壳和洋壳在俯冲过程中Cr同位素行为。研究发现Cr同位素在两类俯冲带的行为存在明显差异：陆壳俯冲过程中俯冲板片的Cr含量和同位素组成变化不明显；而洋壳俯冲过程中蛇纹岩脱水会释放大量的具有较大同位素组成变化的流体，这些流体在俯冲隧道内会交代折返岩片和上覆地幔楔，从而为解释某些交代地幔及岛弧岩浆异常的Cr同位素组成提供解释。.最终，我们提出了Cr同位素体系具有示踪行星演化氧逸度和示踪大洋俯冲带蛇纹岩脱水两个方面的潜在能力，这也为未来的Cr同位素研究提供了方向。