NaCl-KCl-H2O体系中钾同位素分馏的实验约束：揭示海底热液喷口流体δ41K异常的关键机制

研究人员通过400°C高温实验，首次量化了NaCl-KCl-H2O体系相分离过程中钾同位素（41K/39K）分馏效应，发现Na的存在导致气相富集轻钾同位素（Δ41Kvapor-liquid=-0.12‰），而纯KCl-H2O体系无分馏。该研究为解释海底热液场δ41K异常提供了实验依据，对理解地球化学循环和俯冲带物质迁移具有重要意义。

　　

海底热液系统是地球化学循环的重要枢纽，其喷口流体的同位素特征如同解码地球深部过程的密码。近年来，随着多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术的突破，钾同位素（δ⁴¹K）分析精度显著提升，揭示出自然界超过4‰的同位素分异现象。然而，在热液系统这一关键场景中，相分离过程对钾同位素的影响始终是未解之谜——当高温高压下的海水在洋壳中分离为气相和液相时，钾元素究竟会如何"站队"？这个问题的答案不仅关乎如何正确解读热液流体的化学信号，更直接影响对全球钾循环模型和俯冲带物质迁移的认知。

美国明尼苏达大学双城分校地球与环境科学系的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究，通过精妙设计的高温高压实验揭开了这一谜题。他们采用耐腐蚀钛合金反应釜，在400°C条件下模拟海底热液环境，通过压力调控诱导相分离，结合ICP-OES/TQ-ICP-MS元素分析和MC-ICP-MS同位素测试，系统研究了NaCl-KCl-H₂O与KCl-H₂O两种体系的同位素分馏行为。

关键实验技术
研究使用174ml钛合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）高压反应釜，通过等温降压法（300→275bar）诱导相分离，采用时间序列和压力反转实验设计。气相/液相样品通过特制端口采集，K/Na浓度由ICP-OES/TQ-ICP-MS测定（Y/Sc内标法），δ⁴¹K通过MC-ICP-MS测定，数据精度达±0.04‰（1SD）。

实验结果

1. NaCl-KCl-H₂O体系的蒸汽-液相平衡
   时间序列实验显示，气相始终富集轻钾同位素，平均分馏因子Δ⁴¹K_vapor-liquid=-0.12‰。压力反转实验证实该分馏具有可重复性，且不受Na/K比值（8-12）和盐度变化影响。

2. KCl-H₂O体系的异常现象
   纯KCl溶液在相同条件下未检测到显著同位素分馏（Δ⁴¹K_vapor-liquid≈0），这与含Na体系形成鲜明对比。

3. 多核阳离子物种的作用机制
   研究人员提出，Na⁺的存在促使液相形成[Na_mK_nCl_p]^(m+n-p)+等多核配合物，而气相以简单K⁺或KCl°(aq)离子对为主。这种配位环境差异导致轻同位素优先进入气相，符合Bigeleisen-Mayer方程预测的振动频率效应。

研究意义
该工作首次实验证实相分离可导致钾同位素分馏，成功解释了Main Endeavour热液场蒸气相流体δ⁴¹K低至-0.8‰的异常现象。这一发现革新了对热液系统钾循环的认知：

1. 为重建古热液活动提供了新的同位素示踪工具
2. 揭示Na-K协同作用对同位素分馏的关键调控
3. 完善了俯冲带物质循环模型中钾同位素的质量平衡计算
4. 证实多核配合物形成是高温同位素分馏的重要载体

这项研究将实验室约束与自然观测完美衔接，为理解地球深部流体行为树立了新的标尺。正如通讯作者Xin-Yuan Zheng强调的，未来需要将相分离效应与海水-岩石反应过程耦合建模，才能更全面揭示地球化学循环的奥秘。