近日，中国科学院海洋研究所肖媛媛课题组在Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta发表了题为“Copper isotope fractionation during magma differentiation: Evidence from lavas on the East Pacific Rise at 10 30′N”的文章，揭示了洋中脊玄武岩在硫化物熔离过程中的铜同位素分馏。 

　　铜（Cu）是一种重要的成矿金属元素，具有强亲硫性，在岩浆演化时会强烈赋存于硫化物中，岩浆Cu-Ni硫化物矿床因此是铜的重要赋存矿床类型。铜具有⁶³Cu和⁶⁵Cu两个稳定同位素，研究发现世界各地的Cu-Ni硫化物矿床具有Cu同位素组成的高度变化。因此，铜同位素在示踪矿床岩浆源区和铜富集成矿过程具有重要潜力。但将Cu同位素发展为可靠的示踪工具首先需要搞清楚岩浆作用过程（如地幔熔融和岩浆演化）中硫化物和硅酸盐组分之间Cu同位素的分馏规律。  

　　洋中脊玄武岩（MORB）硫化物饱和，由于不混溶，硫化物会以液滴形式从硅酸盐熔体中熔离（Sun等，2022）。本研究选取东太平洋洋隆10 30′N MORB样品，在中国科学院海洋研究所“大洋岩石圈与地幔动力学”实验室进行了Cu同位素分析。这些MORB样品已知来自于成分均一的地幔源区，部分熔融程度也类似，但经历过不同程度的结晶分异演化和硫化物熔离（MgO = 1.76-7.38 wt.%；Cu = 16-75 g/g），是揭示岩浆演化过程中硫化物和熔体间Cu同位素分馏规律和机制的理想样品。研究发现，岩浆演化早期（MgO > 4.9 wt.%），橄榄石、单斜辉石、斜长石为主要液相线矿物，此时硫化物的熔离对硅酸盐熔体Cu同位素的影响有限，MORB具有相对均一的 ⁶⁵Cu（相对于NIST SRM 976）值（0.05  0.03‰，2SD）。而当Fe-Ti氧化物饱和后，MORB的 ⁶⁵Cu值发生显著变化，先迅速降低至–0.41‰，而后随岩浆演化逐渐升高至0.08‰（图1）。  

　　该研究提出，岩浆的氧化还原条件和硫化物中Ni含量是影响硫化物和硅酸盐熔体间Cu同位素分馏的首要因素。岩浆演化早期较为还原，Cu在硅酸盐熔体和熔离的硫化物中均以Cu¹⁺形式存在，硫化物中Ni含量较高，此时硫化物和硅酸盐熔体间Cu同位素的分馏有限。而岩浆演化晚期，Fe-Ti氧化物的分离结晶造成了残余熔体氧化还原条件的迅速变化——首先结晶的钛铁矿使残余熔体迅速氧化（Fe³⁺/Fe²⁺和Cu²⁺/Cu¹⁺升高），而后钛磁铁矿的饱和结晶使残余熔体氧化性逐渐降低（Fe³⁺/Fe²⁺和Cu²⁺/Cu¹⁺降低），在此过程中硫化物中Cu²⁺/Cu¹⁺的变化和Ni含量的降低造成了硫化物和硅酸盐熔体间Cu同位素的显著分馏。Cu同位素因此具有示踪岩浆氧化还原条件的重要潜力。  

　　该研究估算了初始幔源熔体的 ⁶⁵Cu值为0.06 0.05‰，并提出地幔熔融过程中Cu同位素的分馏有限，地球上地幔应具有类似于初始MORB熔体的 ⁶⁵Cu值。此外，该研究还讨论了岛弧和洋岛岩浆作用过程中氧化还原条件和岩浆脱气作用对Cu元素和同位素行为的重要影响。 

　　论文第一作者兼通讯作者为中国科学院海洋研究所孙普副研究员，研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的共同资助。  

　　论文信息：Sun, P., Niu, Y., Chen, S., Guo, P., Duan, M., Chen, Y., Gong, H., Xiao, Y. & Wang, X. (2023). Copper isotope fractionation during magma differentiation: Evidence from lavas on the East Pacific Rise at 10 30′N. Geochimica et Cosmochimica Acta 356, 93-104. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.07.016  

　　Sun, P., Niu, Y., Guo, P., Duan, M., Wang, X. & Gong, H. (2022). Sublithosphere Mantle Crystallization and Immiscible Sulfide Melt Segregation in Continental Basalt Magmatism: Evidence from Clinopyroxene Megacrysts in the Cenozoic Basalts of Eastern China. Journal of Petrology 63, egac001. https://doi.org/10.1093/petrology/egac001　　

图1 MORB硫化物熔离过程中的铜同位素分馏