获得同位素平衡分馏常数的第三条途径

平衡同位素分馏系数是稳定同位素应用的基础，获得平衡同位素分馏系数的常规方法包括实验标定和理论计算，但这两种方法应用于Fe同位素体系时，遇到了不小的挑战。一方面，如果需要通过实验标定主要成岩矿物间Fe同位素平衡分馏系数，必须采用高温高压条件，实验难度高，而且高温下平衡同位素分馏系数减小，因此实验标定结果精度有限。另一方面，基于第一性原理的理论计算方法处理含铁矿物有难度，而且在进行量子力学计算时必要的数学近似有可能影响结果的准确性。获得同位素平衡分馏常数的第三条途径是通过自然样品进行标定，这种方法相比于高温高压实验具有独特的优势，因为地质过程的时间尺度通常以百万年计，因此地质样品可在更低的温度下达到同位素平衡，从而为同位素分馏系数的高精度标定提供了可能性。但这种方法存在一些难点，包括如何制约自然样品的物理化学（P-T-fO2）条件，如何证明矿物已经达到同位素平衡，以及如何识别不平衡过程。因此，通过自然样品标定同位素平衡分馏常数较少有成功的实例。

南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室李伟强教授团队探索了获得铁同位素平衡分馏常数的第三条途径。2017年，他们报道了安徽巢湖英山铁矿是扬子陆块的首例太古代条带状铁建造（Ye et al., 2017）；后续研究发现，英山铁矿经历了角闪岩相变质作用，岩石中发育磁铁矿-角闪石-黑云母-石榴子石组合。研究生叶辉在李伟强教授指导下，综合了多种证据，包括矿物间同位素分馏系数的一致性、矿物在微区结构和化学上的均一性、不同地质温度计的一致性、手标本全岩Fe同位素质量平衡、元素扩散速率等，严格论证了矿物间达到了Fe同位素平衡。在此基础之上，结合多种地质温度计和高精度Fe同位素测量，定了4对矿物之间6组Fe同位素平衡分馏系数。值得一提的是，此研究利用穆斯保尔谱精确测量了矿物的Fe价态，从而建立了磁铁矿-石榴子石Fe同位素平衡分馏系数与氧逸度的关系，并验证了理论计算、实验标定和自然样品测量在磁铁矿-石榴子石Fe同位素分馏上的一致性。由于磁铁矿、角闪石、黑云母和石榴子石是火成岩中最常见的含铁矿物，此研究为Fe同位素的进一步精细地质应用奠定了基础。

上述进展以“Calibrating equilibrium Fe isotope fractionation factors between magnetite, garnet, amphibole, and biotite”为题发表于Geochimica et Cosmochimica Acta（链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703719307719）。博士研究生叶辉为论文第一作者，李伟强教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（No. 41622301，No. 41872077），国家重点研发计划（2018YFC0603703）和留学基金委（No. 201806190159）的资助。