橄榄石-辉石-尖晶石与MORB玻璃间的铁同位素分馏机制：对洋中脊玄武岩地幔部分熔融过程的启示

本研究针对洋中脊玄武岩(MORB)与上地幔间δ56Fe差异(+0.074±0.028‰)的成因难题，通过核共振非弹性X射线散射(NRIXS)技术测定矿物-熔体平衡分馏因子，结合pMELTS模拟和扩散模型，首次系统评估了地幔部分熔融、岩石圈异质性、熔体交代及橄榄石结晶等过程对铁同位素分馏的贡献，揭示平衡分馏无法解释观测差异，提出熔体迁移中的动力学分馏是关键机制。

　　

洋中脊玄武岩(MORB)作为地球表面最广泛的火山岩，其铁同位素组成长期比上地幔偏重约+0.074‰，这一现象背后的机制困扰学界多年。传统理论认为地幔部分熔融可能导致同位素分馏，但定量模型的缺失使得这一假说缺乏实证支持。更复杂的是，MORB形成过程中涉及熔体迁移、矿物结晶等多阶段过程，究竟何种机制主导同位素分馏成为亟待解决的科学难题。

麻省理工学院领衔的国际团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究，通过创新性地整合NRIXS技术、热力学模拟和扩散模型，首次系统量化了MORB形成全过程的铁同位素分馏效应。研究人员选取典型MORB玻璃(ALV 519-4-1)及橄榄石(Fo₉₀)、斜方辉石(opx)、单斜辉石(cpx)、尖晶石等天然地幔矿物，利用同步辐射光源的NRIXS技术精确测定其⁵⁷Fe力常数（橄榄石:175±17 N/m，MORB玻璃:176±20 N/m），结合pMELTS程序模拟10%地幔部分熔融场景，并开发扩散动力学模型评估熔体-晶体相互作用的影响。

关键方法：1) NRIXS测定天然矿物与熔体的Fe力常数；2) pMELTS模拟绝热减压熔融过程；3) Fe³⁺-Fe²⁺平衡分馏模型；4) 熔体-橄榄石扩散耦合模型。样本包括大西洋中脊采集的MORB玻璃及全球典型地幔包体矿物。

主要结果：

1. 矿物-熔体分馏因子：NRIXS数据显示矿物力常数排序为opx(219±36 N/m)>cpx(205±26 N/m)>橄榄石≈MORB玻璃>尖晶石(167±26 N/m)，但10%熔融仅产生+0.03‰的Δ⁵⁶Fe分馏。
2. 替代机制验证：含辉石岩源区熔融分馏更弱(+0.01‰)；低程度熔体交代无法使岩石圈δ⁵⁶Fe显著升高；橄榄石结晶的平衡分馏近乎零。
3. 动力学分馏证据：Fe-Mg熔体-晶体互扩散可产生+0.1‰级分馏，但方向与观测相反；熔体通道反应可能引发非平衡分馏，但定量模型尚不完善。

结论与意义：该研究彻底排除了平衡分馏机制解释MORB重铁同位素特征的可能性，首次提出熔体迁移过程中的动力学分馏是关键控制因素。这一认识革新了对地幔熔融过程中同位素行为的理解，为利用铁同位素示踪行星演化提供了新范式。技术层面建立的天然矿物NRIXS数据库，解决了合成样品与天然体系数据偏差的长期争议。未来需重点研究熔体聚焦流动中的非平衡反应，这对理解地幔物质循环和行星化学分异具有深远意义。