近年來，鉀(K)同位素的高精度分析技術(shù)快速發(fā)展并被廣泛用于各種地質(zhì)過程示蹤。K作為流體活動性元素，在大多數(shù)情況下，其重同位素更傾向于進(jìn)入流體相。例如俯沖板塊脫水釋放重K同位素而產(chǎn)生高δ41K的弧巖漿，理論上脫水后的板塊進(jìn)一步熔融則會產(chǎn)生同位素相對較輕的巖漿作用。然而后碰撞和板內(nèi)環(huán)境的一些鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖石并未顯示比弧巖漿更輕的鉀同位素組成。鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖石的形成通常會經(jīng)歷富K礦物的分離結(jié)晶和/或熔體不混溶作用，這兩個過程能否引起K同位素分餾尚存疑問。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所成礦元素與同位素實(shí)驗(yàn)室自2022年建立并優(yōu)化了K同位素分析方法（Li et al., 2022, SC-ES; Li et al., 2023, JAAS）以來，相繼開展了諸多K同位素地質(zhì)過程的示蹤研究。蘇本勛研究員及其合作者對我國西秦嶺地區(qū)一套由玄武質(zhì)巖石和碳酸巖組成的火山巖進(jìn)行了K同位素分析。

野外產(chǎn)出關(guān)系、顯微鏡下觀察（圖1）以及地球化學(xué)組成（圖2）均表明，這套巖石經(jīng)歷了典型的硅酸鹽和碳酸鹽熔體不混溶和金云母分離結(jié)晶過程。玄武質(zhì)巖石的K同位素組成明顯重于其金云母斑晶，并與結(jié)晶分異的地球化學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)較好的相關(guān)性（圖3），表明金云母分離結(jié)晶作用可以造成巖漿向富集重K同位素的方向演化（圖4a）。碳酸巖與玄武質(zhì)巖石之間的元素與同位素的系統(tǒng)差異與熔體不混溶過程密切相關(guān)（圖3）。通過不同構(gòu)造背景下火山巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)對比，揭示低K含量而不結(jié)晶富K礦物的火山巖的同位素組成可能更多反映了其地幔源區(qū)的特征，而相對高K含量火山巖的K同位素組成還會受到富K礦物分離結(jié)晶的影響（圖4b, 圖4c）。進(jìn)而，作者提出在不同構(gòu)造背景下源區(qū)和分異演化對幔源巖漿K元素及其同位素的差異性影響（圖5）。

圖1 西秦嶺玄武質(zhì)巖石及碳酸巖經(jīng)歷了熔體不混溶和金云母分離結(jié)晶過程的野外及巖石學(xué)顯微證據(jù)

圖2 西秦嶺玄武質(zhì)巖石及碳酸巖經(jīng)歷了熔體不混溶和金云母分離結(jié)晶過程的地球化學(xué)證據(jù)

圖3 西秦嶺玄武質(zhì)巖石及碳酸巖的K同位素組成及其與熔體不混溶和金云母分離結(jié)晶地球化學(xué)參數(shù)的相關(guān)性圖解

圖4 西秦嶺玄武質(zhì)巖石K同位素組成與巖漿演化的模擬計算以及與不同構(gòu)造背景下火山巖的對比

圖5 不同構(gòu)造背景下源區(qū)和分異演化對幔源巖漿K元素及其同位素差異性影響的模式圖

研究成果發(fā)表于AM（蘇本勛，潘旗旗，白洋，李文君，崔夢萌，彭君能. Potassium isotope fractionation during silicate-carbonatite melt immiscibility and phlogopite fractional crystallization [J].American Mineralogist, 2024, 109: 591-598. DOI: 10.2138/am-2022-8898.），研究受中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新項目（TEC 202103）和中國科學(xué)院青促會共同資助。

編輯：劉強(qiáng)