查明硅酸盐地球的Ni同位素组成和地幔过程中Ni同位素地球化学行为是利用Ni同位素示踪高温地质过程的前提。针对前者，尽管早期对于硅酸盐地球是否具有球粒陨石Ni同位素组成存在争议，目前普遍认为现今硅酸盐地球具有低于球粒陨石的Ni同位素组成；针对后者，地幔过程中Ni同位素地球化学行为仍缺乏系统研究。有学者认为玄武岩的Ni同位素组成可以代表地幔的Ni同位素值。然而，对已发表火成岩及橄榄岩的Ni同位素的统计表明，代表低比例熔体的玄武岩具有系统轻于地幔橄榄岩的Ni同位素组成，而代表高比例熔体的科马提岩则与地幔橄榄岩具有相似的Ni同位素组成（图1）。显然，玄武岩并不能完全代表橄榄岩的Ni同位素组成，但是玄武岩与地幔橄榄岩之间系统的Ni同位素差异的原因尚不清楚。
针对上述问题，我校科学研究院王水炯教授指导其博士研究生盛思彰对玄武质岩石Ni同位素的变化机制开展了系统研究。
（1）硫化物溶解控制玄武质岩石Ni同位素组成
结合离子模型和部分熔融模型，文章模拟了硅酸盐地幔部分熔融过程中Ni同位素分馏。结果表明，纯硅酸盐部分熔融过程使硅酸盐熔体富集重的Ni同位素。因此，部分熔融过程不能解释玄武岩系统偏轻的Ni同位素组成。
硫化物是地幔橄榄岩中微量的富Ni组分，具有显著轻于地幔值的Ni同位素组成（图1）。部分熔融过程中硫化物的溶解可能向硅酸盐熔体中引入轻的Ni同位素，而这一过程主要受控于熔体溶解硫化物的能力，即熔体硫化物饱和硫浓度（SCSS）。文章结合SCSS与部分熔融模型，模拟部分熔融过程中硫化物溶解对熔体Ni同位素的影响。在固定SCSS条件下，低比例熔体中溶解硫化物对熔体Ni同位素组成的贡献最大，Ni同位素组成轻于地幔值（δ 60/58Ni = +0.11 ± 0.06‰）；随着部分熔融程度增加，溶解硫化物对熔体Ni同位素组成的贡献逐渐减小，因此熔体的Ni同位素随着熔融程度的增加不断变重（图2）。硫化物溶解模型解释了代表低比例熔体的玄武岩（F<25%）具有系统轻于橄榄岩的Ni同位素组成，而代表高比例熔体的科马提岩（F~50%）与橄榄岩的Ni同位素组成相近的现象（图1）。据此推测，熔体的Ni同位素组成受熔体SCSS的影响，高氧逸度的低比例熔体具有高的SCSS，而应当具有更低的Ni同位素组成。
（2）硫化物溶解模型验证：山东霞石岩轻的Ni同位素组成
为验证上述硫化物溶解模型，盛思彰等与西北大学陈立辉教授等合作，分析了代表地幔极低比例熔融且具有高氧逸度的山东新生代霞石岩的Ni同位素组成。霞石岩的Ni同位素组成和Fe3+/ΣFe与Cu含量呈负相关关系，表明高氧逸度的熔体具有更高的SCSS，从而可以引入更多来自硫化物的轻Ni同位素和Cu，使得霞石岩具有相较地幔值更轻的Ni同位素组成（图3）。这些富挥发份、低比例熔体往往是地幔中挥发份迁移和地幔交代过程的主要媒介，由此推测地幔交代过程中可能存在Ni同位素分馏。
（3）地幔交代过程中Ni同位素变化
为了验证上述假说，盛思彰等与中科院地质与地球物理研究所肖燕副研究员等合作，研究了山东北岩地区的二辉橄榄岩和易剥橄榄岩包体的单矿物Ni同位素组成。二辉橄榄岩经历碳酸盐熔体交代形成了易剥橄榄岩。研究发现，易剥橄榄岩的单矿物和重建的全岩Ni同位素组成较二辉橄榄岩显著偏轻。因此，高氧逸度，富集轻Ni同位素的碳酸盐熔体交代二辉橄榄岩，可以使得交代产物易剥橄榄岩具有轻的Ni同位素组成特征。
此外，地幔交代也可产生矿物间Ni同位素不平衡分馏。北岩地区橄榄岩的橄榄石与斜方辉石具有类似的Ni同位素组成，而尖晶石系统重于橄榄石（~0.1‰），单斜辉石相较橄榄石不同程度的富集轻Ni同位素。离子模型计算结果表明，平衡条件下地幔矿物的Ni同位素组成尖晶石>单斜辉石≈斜方辉石≈橄榄石。研究样品中橄榄石，尖晶石与斜方辉石之间为Ni同位素平衡分馏（图4a, b）；而交代成因的单斜辉石轻于橄榄石，且与橄榄石的Ni同位素组成无线性关系（图4c）。因此新生成的交代成因单斜辉石未与其他矿物达到Ni同位素平衡。
图1 已发表橄榄岩，科马提岩及玄武岩Ni同位素数据直方图统计。蛇纹岩化橄榄岩及代表玄武岩高压变质的榴辉岩与其原岩具有相似的Ni同位素组成。大洋沉积物具有相较镁铁质岩石偏重的Ni同位素组成。硫化物具有显著偏轻的Ni同位素组成
图2 硫化物溶解模型中熔体Ni同位素组成随熔融程度变化模拟图
图3 霞石岩Ni同位素与Fe3+/ΣFe （a）和Cu（b）的相关性
图4 北岩地区地幔包体中单矿物（彩色）及已报道数据（白色）的Ni同位素分馏图解。图中虚线分别为900°C与1350°C时计算出的单矿物-单矿物Ni同位素平衡分馏线
上述研究受国家自然科学基金（41973010）及霍英东教育基金会的资助，研究成果发表在国际学术期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上：Sheng, S. Z.（盛思彰）, Wang, S. J*.（王水炯）, Yang, X. M.（杨锡铭）, Chen, L. H.（陈立辉）, Zeng, G.（曾罡）, Xiao, Y.（肖燕）, Ji Shen（沈骥）, Xu-Han Dong（董栩含）, Yi-Wen Lv（吕逸文）, 2022. Sulfide dissolution on the nickel isotopic composition of basaltic rocks. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, e2022JB024555.
全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JB024555
