高温体系中重金属稳定同位素的分馏理论和参数建立

The number of non-traditional stable isotope study is rapidly increasing in the solid earth science discipline. More and more institutions have bought new mass-spectrometers. Due to the consequences of “nuclear volume effect”, kinetic isotope fractionation effect, vaporization effect, etc., heavy metal isotopes still have significant isotope fractionations even under high temperatures. Therefore, heavy metal stable isotopes (i.e.,Te, Ce, Nd, Sm, Hg, Tl and Pb) can be used as tracers in high-T systems for showing the changes of processes and environments. This study is proposed for the two most serious problems about applying heavy metal stable isotopes to high-T petrologic systems: 1) lacking of equilibrium isotope fractionation factors; 2) lacking of theoretical frameworks for kinetic isotope fractionations in non-equilibrium processes, such as silicate melt immiscibility, etc. If this proposal is granted, we can provide many equilibrium isotope fractionation factors, a few theoretical frameworks for kinetic isotope fractionations in several high-T processes. Besides, we will apply our theory and parameters to study the formation mechanism of A-type granite and provide independent constraints on the arguments about its mechanism. With the help of this study, the base of non-traditional stable isotope geochemistry will be strengthened. The obvious merit of this study is that its results can be used to a span of geological disciplines including petrology, cosmo-chemistry, environmental sciences and ore-deposit fields, etc.

非传统稳定同位素研究在地学领域日益增加，越来越多的固体地学机构布局了新一代的质谱仪。由于“核体积效应”、动力学分馏效应、气化过程等的影响，使重元素的同位素体系即使在高温下也有相当可观的分馏。重金属稳定同位素（如Te、Ce、Nd、Sm、Hg、Tl和Pb等）因而可以用于高温岩石学体系的过程和环境示踪。本研究针对重金属稳定同位素在岩石学应用的两个重大问题展开：一是这些新的同位素体系的平衡分馏参数缺乏；二是对岩浆不混溶、热梯度等不平衡过程产生的同位素动力学分馏机理不清、缺乏定量的理论公式。本申请不仅能够提供这些新的同位素体系大量平衡分馏参数、建立高温体系一些同位素动力学分馏的理论公式，也将针对A型花岗岩在形成过程的同位素动力学分馏进行研究，以约束关于它的成因的争论。本项目能够推进非传统稳定同位素地球化学的发展，也将对岩石学、天体化学、环境科学、矿床学等地学分支的发展有帮助，具有重要的基础研究意义。

本课题的预设目标是两个，一是为一些重金属同位素体系提供必要的平衡分馏系数，二是一些重要高温地质过程的同位素动力学分馏理论，提供解释这些过程同位素分馏的理论和方法。这两个方面的工作是高温体系重金属稳定同位素学科发展的两块基石，而我们已经圆满完成了这个项目的工作。取得的成果包括：我们对包含核体积效应的重金属同位素平衡分馏理论方法进行了修改和提高，在此基础上，我们使用含相对论效应的量子化学计算提供了行内目前最精确的一些平衡分馏数据（包括对Tl、Pb、U、W、Sn等体系）；我们还建立了高温岩浆过程的三个新理论，一个是对动力学分馏效应的计算方法（Zhu et al., 2015），另一个是发现重复过程能够放大同位素的分馏效应 (Zhang and Liu, 2020)，最后一个是我们大幅重建了高温高压下固体中同位素扩散分馏的精确的理论计算方法 （Li and Liu，in review）。这些成果，将极大地推进高温过程重金属同位素地球化学的研究水平。