地幔熔体渗透过程中稳定铬同位素分馏：揭示地幔铬同位素异质性的新机制

为解决地幔中铬(Cr)同位素异质性的成因问题，研究人员以意大利阿尔卑斯Balmuccia和Baldissero地幔橄榄岩体为研究对象，系统分析了不同岩石类型的Cr同位素组成(δ53Cr)。研究发现部分熔融和熔体渗透过程会导致显著的Cr同位素分馏，其中熔体渗透引起的动力学分馏可产生异常轻的δ53Cr值(-0.43‰)，为理解地幔化学演化提供了新的同位素示踪工具。

　　

在地球化学研究领域，地幔的化学异质性一直是困扰科学家的重大谜题。铬(Cr)作为一种重要的中等亲铁元素，其同位素组成(δ⁵³Cr)近年来成为示踪地幔过程的新兴工具。然而，关于地幔中观测到的Cr同位素变化究竟是由部分熔融还是熔体渗透过程主导，学术界存在激烈争议。更棘手的是，先前研究多基于易受地壳混染影响的捕虏体样品，且缺乏系统的岩石组合分析，使得这一科学问题的解决陷入困境。

中国地质大学（北京）同位素地球化学实验室的研究团队另辟蹊径，选择意大利阿尔卑斯造山带出露的Balmuccia和Baldissero橄榄岩体作为研究对象。这些新鲜未蚀变的岩石样品完美保存了地幔过程的原始信息，包括17件二辉橄榄岩、3件方辉橄榄岩、4件纯橄岩和7件辉石岩。通过高精度Cr同位素分析，研究人员首次揭示了熔体渗透过程对地幔Cr同位素体系的重要影响，相关成果发表在《Geoscience Frontiers》上。

研究主要采用三项关键技术：1）高压釜和热板两种消解方法确保难溶矿物（如尖晶石）完全溶解；2）AG50W-X12树脂两步离子交换柱实现Cr的高效纯化（回收率>80%）；3）TRITON Plus热电离质谱仪(TIMS)结合⁵⁰Cr-⁵⁴Cr双稀释剂法进行高精度同位素测定，长期外部精度达±0.03‰。

【研究结果】

1. 部分熔融的影响：二辉橄榄岩δ⁵³Cr值(-0.18‰至-0.03‰)与Al₂O₃含量呈显著负相关(R²=0.57)，模拟计算表明部分熔融产生的残余体-熔体间同位素分馏系数(10³lnα)为0.08-0.2，与理论预测相符。

2. 熔体渗透的独特印记：

• 纯橄岩BM11-03A(0.10‰)比相邻方辉橄榄岩BM11-03B(-0.11‰)显著富集重Cr同位素，揭示橄榄石优先富集⁵³Cr的异常分馏行为
• 接触辉石岩脉的纯橄岩BM11-24A显示极轻δ⁵³Cr值(-0.26‰)，扩散模型表明这是Cr从尖晶石向熔体动力学扩散的结果
• 辉石岩BM11-28A/B呈现从中心(-0.43‰)向边缘(-0.30‰)递增的Cr同位素梯度，证实矿物结晶分异对同位素组成的控制

【结论与意义】
该研究开创性地证实熔体渗透是造成地幔Cr同位素异质性的关键机制。特别重要的是，首次发现熔体-岩石反应可产生极端轻的δ⁵³Cr值(-0.43‰)，这为解释全球多地观察到的异常Cr同位素特征提供了合理解释。研究建立的扩散分馏模型为理解地幔尺度同位素不平衡提供了定量工具，而提出的"橄榄石反常富集重Cr同位素"现象革新了传统矿物分馏序列认知。这些发现不仅完善了地幔地球化学理论，更拓展了Cr同位素在示踪深部过程中的应用前景。