中国东北海拉尔盆地双峰式火山岩的钒同位素分馏

《Chemical Geology》：Vanadium isotope fractionation in the bimodal volcanic rocks from the Hailar Basin, NE China

　　

摘要

钒（V）同位素在示踪岩浆演化过程方面具有重要潜力，但其在大陆地壳岩浆中的分馏行为仍缺乏明确认识。本研究报道了中国东北海拉尔盆地双模态火山岩的V同位素组成，以研究基性岩和酸性岩浆分化过程中的V同位素分馏。样品包括相对原始基性岩（约160至140 Ma）和高度演化的酸性岩（约136至124 Ma）。在海拉尔岩套中，δ⁵¹V变化范围为?0.72‰至+0.19‰，高度分异的酸性岩一般具有较高的值。δ⁵¹V随SiO₂含量增加而趋于升高，但随MgO、FeO^T、TiO₂、V（9.8至223.9 ppm）、Sc、Ni和Cr含量增加而降低。基性岩的δ⁵¹V变化范围相对有限（?0.72‰至?0.48‰），与相对氧化地幔源区的部分熔融产生以及早期阶段分异结晶的微弱改造一致。相比之下，酸性岩的δ⁵¹V变化范围明显更宽（?0.59‰至+0.19‰），相对演化的成分一般具有更重的值，这与晚期分馏涉及Fe–Ti氧化物和黑云母有关。演化的酸性岩相对于基性岩表现出更高的δ⁵¹V、δ⁵⁶Fe和δ⁴⁹Ti，表明涉及Fe–Ti氧化物的结晶在驱动酸性岩浆演化过程中的同位素分馏方面发挥了重要作用。综合而言，这些结果强调了矿物控制的分异在解释演化大陆地壳岩浆V同位素变化中的重要性。

引言

钒（V）是一种弱亲铁过渡金属，表现出多种氧化态（即V²⁺、V³⁺、V⁴⁺和V⁵⁺）（Canil, 1997; Mallmann and O'Neill, 2009）。V在岩浆分异过程中的分配行为对结晶矿物组合和氧逸度（fO₂）敏感（e.g., Prytulak et al., 2017; Sossi et al., 2018）。在岩浆系统中，V在 mantle melting 和早期分异期间优先进入铁镁硅酸盐矿物（尤其是普通辉石），但在晚期岩浆分异过程中越来越富集于Fe–Ti氧化物中（Mallmann and O'Neill, 2009; Toplis and Corgne, 2002）。它在地幔中表现为中等不相容元素，但在地壳岩浆分异过程中转变为相容元素（e.g., Ringwood, 1970; Nielsen, 1992; Toplis and Corgne, 2002; Adam and Green, 2006; Elkins et al., 2008）。近年来，V同位素已成为研究岩浆分异和fO₂变化的有用示踪剂，研究主要集中在地幔岩石和地幔来源的岩浆上。在岩浆演化过程中，通常观察到δ⁵¹V在晚期分异阶段显著增加，与Fe–Ti氧化物的饱和和结晶相伴随，后者优先将轻V同位素（⁵⁰V）纳入固相（Prytulak et al., 2017; Ding et al., 2020; Chen et al., 2023）。碱性玄武岩中观察到的相对较高δ⁵¹V归因于氧化地幔源区和低程度部分熔融的联合作用（Chen et al., 2023）。相比之下，演化的洋中脊熔岩显示出小得多的δ⁵¹V变化（~ 0.3‰），反映了涉及辉石和Fe–Ti氧化物的较弱有效分馏（Wu et al., 2018）。

钒同位素在研究大陆地壳的形成和演化方面具有相当大的潜力。然而，V同位素在大陆内部火成岩中的研究仍然有限，其分馏行为仍缺乏明确认识。为了推断大陆地壳的组成变化，Tian et al. (2023) 利用全球弧岩浆和冰川冰碛岩估算了地壳上部的V同位素组成。这些结果揭示了一个显著的地长期演化趋势。具体而言，从新元古代到古生代，大陆地壳上部的δ⁵¹V从?0.73‰增加到?0.54‰，反映了越来越酸性的地壳成分。这一趋势为大陆地壳的时间和空间演化提供了新的约束。值得注意的是，Stow et al. (2024) 表明，即使在成分连续的钙碱性花岗岩中，全岩样品和矿物分离样品的δ⁵¹V变化也超过~0.6‰。这种大的变异性表明δ⁵¹V受到强烈的岩性和矿物学控制，这使定义代表性的地壳上部δ⁵¹V变得复杂。因此，大陆内部双模态火山岩为评估基性和酸性岩浆演化过程中的V同位素行为提供了理想的天然样品。解决这一问题对于解释演化大陆火山岩中的V同位素变化以及评估其对大陆地壳V同位素组成的意义至关重要。

中国东北的海拉尔盆地在中生代经历了与复杂俯冲相关构造过程相响应的广泛火山活动，形成了双模态火山岩（Ren et al., 2002; Jahn et al., 2004; Chen et al., 2006; Graham et al., 2012）。这些岩石跨越了广泛的成分范围（SiO₂ = 51.13–78.17 wt%），涵盖了基性和酸性岩，记录了地幔部分熔融、地壳重熔和分异结晶（Li et al., 2014; Xia et al., 2017; Zhao et al., 2020）。海拉尔盆地的岩浆演化已通过广泛的岩石学、地球化学和地球化学研究得以建立（Li et al., 2014）。前人研究表明，Fe–Ti氧化物结晶在海拉尔双模态火山岩中控制δ⁵⁶Fe和δ⁴⁹Ti变化方面发挥了重要作用（Xia et al., 2017; Zhao et al., 2020）。这些已建立的矿物学和氧化还原约束为解释大陆岩浆分异过程中的V同位素体系学提供了直接对比框架。

本研究研究了海拉尔盆地双模态火山岩套中的V同位素变化。通过将全岩地球化学与部分熔融和分异结晶建模相结合，我们评估了控制基性和酸性岩浆演化过程中V同位素变化的过程。这些结果扩展了对高度演化岩浆系统中V同位素行为的当前认识，并为大陆地壳中的岩浆演化提供了新的约束。

章节摘要

地质背景与样品描述

海拉尔盆地位于中国东北部，大兴安岭以西，处于中亚造山带（CAOB）东部段内，毗邻蒙–鄂霍次克缝合带（图1a）。在中生代晚期，蒙–鄂霍次克洋的闭合（约160至140 Ma；Wang et al., 2006; Li et al., 2012）和俯冲的古太平洋板块的回滚（Li et al., 2012, Li et al., 2014; Sun et al., 2013; Zhang et al., 2011a）导致了广泛的板块内部

分析方法

V同位素组成在中国合肥中国科学技术大学（USTC）岩石圈与环境共同演化重点实验室测定，遵循Wu et al. (2016)所述程序。所有浓缩高纯度酸（HCl、HNO₃和HF）通过Thermo Fisher Scientific分析纯级酸的双次亚沸蒸馏制备。含约6–10 μg V的全岩粉末在3:1（v/v）中溶解

结果

海拉尔双模态火山岩的V含量范围为9.8至223.9 ppm。基性岩的δ⁵¹V范围为?0.72‰至?0.48‰（平均值?0.62‰ ± 0.14‰，2SD，n = 13）。相比之下，酸性岩显示出更宽的δ⁵¹V范围，从?0.59‰至+0.19‰（平均值?0.24‰ ± 0.62‰，2SD，n = 8），延伸至本研究中观察到的最高δ⁵¹V值。对于重复样品，每个样品使用单一最终值，个别重复数据见表1。δ

蚀变、扩散和出溶对V同位素分馏的影响

为评估δ⁵¹V升高的原因，我们首先评估了双模态火山岩的V同位素组成是否受到蚀变影响。薄片岩相学观察（图S1），结合对同一样品套的公开描述（Li et al., 2014），显示基性和酸性岩主要保存了原始火山结构和岩浆矿物组合。尽管一些基性岩中局部存在玛瑙或方解石充填的气孔，但没有普遍性的

结论

本研究记录了海拉尔双模态火山岩套中基性和酸性成员的系统性V同位素变化，并评估了岩浆演化过程中控制δ⁵¹V的主要过程。基性岩显示出相对有限的δ⁵¹V范围（?0.72‰至?0.48‰），与相对氧化地幔源区的低程度部分熔融以及基性矿物早期结晶过程中有限的V同位素分馏一致。相比之下，酸性岩表现出

CRediT作者贡献声明

Lin XiaoYu：原稿撰写、方法论、调查研究、概念化。Peng XiuHong：审阅与编辑、项目管理、调查研究、资金获取、概念化。Liu JiaLong：原稿撰写、调查研究。Ding Xin：方法论、调查研究。Huang Fang：审阅与编辑、项目管理、方法论、调查研究、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢Li Shuang-Qing、Li Chun-Hui、Lv Wei-Xin、Duan Haochen、Zhang Zhong、Liu Yin-Tai和Yang Zhi-Liang在同位素分析和讨论方面给予的指导与帮助。我们还感谢Donald Porcelli的编辑处理以及两位匿名审稿人提出的建设性意见。研究受四川省普通科学基金资助：基于镍同位素分馏的攀西地区铜镍硫化物矿床成矿潜力评价

Lin XiaoYu|Peng XiuHong|Liu JiaLong|Ding Xin|Huang Fang

成都理工大学地球与行星科学学院，成都 610059，中国