第七届青年地学论坛

       钾是地球中丰度排名第四的一种大离子不相容的亲石、流体活动性强的碱金属元素。同一主族元素中Li和Rb属微量元素，而Na只有一个稳定同位素，无法通过同位素比值进行分析，故K同位素研究则非常重要，其同位素研究是构建地球科学认识框架的重要组成部分，有助于我们理解地球内部作用过程。由于K的不相容特征，这使得它在俯冲、壳幔相互作用等过程中可能被用作示踪剂。前人通过对具有地质和地球化学多样性的大洋玄武岩样品（MORB、BABB、OIB）进行分析，测出的总平均值和硅酸盐地球钾同位素平均值一致，推测出上地幔是一个均一的钾同位素储库（Brenna Tuller-Ross et al.，2019）。地幔的K同位素的均一性表明，K在部分熔融过程中不发生分馏，因此可以应用钾同位素对幔源成因的玄武岩源区进行示踪。因此玄武岩中可观察到的K同位素的分馏可能是由于喷发后的蚀变引起的（Christopher A. Parendo et al.，2017）。大洋钻探岩芯的研究表明，俯冲沉积物和蚀变洋壳的K同位素有较大同位素变化，因此蚀变洋壳和沉积物的俯冲将会对地幔钾同位素的均一性产生一定影响。对Hekla volcano一系列同源不同演化阶段的岩石（从玄武岩到流纹岩）的钾同位素测量结果表明在部分熔融和分离结晶等过程中钾没有发生分馏（Brenna Tuller-Ross et al.，2019）。此结论对于估算陆壳的钾同位素组成以及更好地理解类地行星的钾同位素行为具有重要意义。然而，对于高演化的火成岩则出现明显的钾同位素分馏，可能是由于含钾相在结晶过程中变得更加富集，导致矿物间或熔体-矿物间同位素的分馏。岩浆演化后期的伟晶岩也发现较大的钾同位素分馏，可能是在热液流体的作用下交代重结晶或热扩散作用导致（Leah E. Morgan et al.，2018）。总的来说，钾同位素可以作为一种新工具,与其他金属同位素(如δ⁷Li,δ²⁶Mg,δ⁵⁶Fe),一起研究岩浆与成矿作用过程，特别在俯冲带，高分异岩浆岩，碱性岩及相关矿床方面有较大潜力。目前高温体系下K同位素数据总体较少，对于整个地幔的均一性以及俯冲洋壳等示踪等问题尚未有定论。当前流行的岩浆房系统中侵入岩和火山岩内在联系过程尚未有金属稳定同位素的制约，K、Li、Mg、Fe同位素可能有所变化。这些新兴同位素体系可以将地球深部和浅部作用联系起来，用以限定陆壳生长过程。

参考文献：
[1] Tr A ,  Bm B ,  Hc A , et al. Potassium isotope systematics of oceanic basalts[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 259:144-154.
[2] Tuller-Ross B ,  Savage P S ,  Chen H , et al. Potassium isotope fractionation during magmatic differentiation of basalt to rhyolite[J]. Chemical Geology, 2019, 525.
[3] Y  Hu,  Teng F Z ,  Chauvel C . Potassium isotopic evidence for sedimentary input to the mantle source of Lesser Antilles lavas[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 295.
[4] Parendo C A ,  Jacobsen S B ,  Wang K . K isotopes as a tracer of seafloor hydrothermal alteration[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017, 114(8):1827.
[5] Morgan L E ,  Ramos D ,  Davidheiser-Kroll B , et al. High-precision 41K/39K measurements by MC-ICP-MS indicate terrestrial variability of δ41K[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2018, 33(2).

 

钾同位素,同位素分馏