近日，中国地质大学（北京）科学研究院王水炯教授联合中国地质科学院地质研究所熊发挥研究员和中国科学院广州地球化学研究所张龙副研究员，在国际地学期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上发表题为“Nickel and magnesium isotopic evidence for rapid melt-mantle interactions in supra-subduction zone settings”的研究成果。该研究对西藏罗布莎和青海玉石沟的铬铁矿及共生橄榄石样品，开展了高精度的Ni-Mg同位素分析，并结合第一性原理计算、同位素动力学模拟和扩散年代学，揭示了铬铁矿-橄榄石体系中Ni-Mg同位素不平衡的形成机制，并定量约束了超俯冲带环境中熔-岩反应的时间尺度，为认识豆荚状铬铁矿形成及关键金属富集过程提供了新的时间框架。

在超俯冲带中，上升熔体与地幔橄榄岩发生相互作用，不仅能够改变地幔的矿物组成和地球化学特征，还可促使熔体达到铬过饱和，进而结晶形成豆荚状铬铁矿，并促进关键金属的富集。因此，熔体-地幔相互作用是连接俯冲带地幔改造与铬铁矿成矿的关键过程。然而，形成豆荚状铬铁矿的熔-岩反应速率和持续时间，目前仍缺乏直接的定量约束。铬铁矿及其共生橄榄石能够保存熔-岩反应产生的元素和同位素非平衡信息，为解决这一问题提供了重要载体。已有Mg、Fe同位素研究发现，铬铁矿与橄榄石之间普遍存在显著的同位素差异，并将其解释为亚固态元素交换的结果。然而，这些差异究竟主要源于矿物结晶后的亚固态元素交换，还是形成于熔-岩反应过程中的矿物-熔体元素扩散，仍缺乏明确的理论判别和动力学约束。

为揭示铬铁矿形成过程中的同位素分馏机制及熔-岩反应的时间尺度，研究团队选取西藏罗布莎蛇绿岩豆荚状铬铁矿和北祁连玉石沟蛇绿岩含铬铁矿橄榄岩作为研究对象（图1），对其中的铬铁矿和共生橄榄石开展了系统的Ni-Mg同位素分析。研究团队进一步利用第一性原理计算建立矿物间平衡同位素分馏基准，据此判别天然样品中的平衡与动力学分馏，并结合Ni-Mg扩散动力学模拟和Cr-Al扩散年代学，对熔-岩反应的时间尺度进行交叉验证。

研究结果显示，与正常地幔值相比，西藏罗布莎和青海玉石沟样品中的铬铁矿与橄榄石均相对富集重Ni-Mg同位素组成，铬铁矿与橄榄石之间存在显著的Ni-Mg同位素差异，且明显偏离理论计算得到的平衡分馏线（图2），表明两种矿物之间存在不平衡同位素分馏过程。如果该不平衡主要由亚固态矿物间元素交换产生的话，铬铁矿与橄榄石应表现出方向相反的同位素变化。然而，两种矿物均富集重Ni-Mg同位素，且其同位素组成总体呈正相关关系。结合扩散动力学模拟，本研究认为两种矿物并非主要通过亚固态元素交换产生同位素差异，而是分别与共同的外部熔体发生了元素扩散（图3）。

研究样品中铬铁矿和橄榄石的Ni-MgO含量均高于其与玻安质熔体达到平衡时的预测值。因此，在矿物-熔体扩散过程中，Ni和Mg由矿物向熔体迁移。由于轻同位素的扩散速率更快，扩散后的矿物逐渐富集重同位素。铬铁矿的δ^60/58Ni值与Ni含量、δ^26/24Mg值与MgO含量均呈负相关关系，与扩散驱动的动力学同位素分馏趋势一致（图4）。相比之下，橄榄石中的Ni和MgO含量较高，有限程度的元素扩散对其同位素组成影响相对较弱，因此未表现出明显的同位素组成-元素含量的相关关系（图4）。

扩散动力学模拟表明铬铁矿与熔体之间的Ni-Mg扩散过程可在约100年内完成。通过改变同位素扩散参数、矿物粒径和扩散系数开展敏感性检验，获得的时间尺度总体仍为数十年至数百年。上述结果说明，铬铁矿记录的熔-岩反应具有快速且短暂的特征。为了检验上述时间尺度，研究团队进一步分析了铬铁矿颗粒中的Cr#成分剖面。研究样品中的铬铁矿保存了核部Cr#较高、边部Cr#较低的成分环带，记录了铬铁矿形成过程中未完全平衡的Cr-Al扩散过程（图5）。研究利用Cr-Al互扩散系数并结合蒙特卡洛方法，对八颗铬铁矿的成分剖面进行了模拟。在1115～1215 ℃条件下，获得的熔-岩反应时间中值为35～743年，80%的时间尺度小于209～4380年（图6）。因此，Cr-Al扩散年代学给出的时间尺度为数十年至数百年，多数模拟结果不超过数千年，与Ni-Mg同位素扩散动力学模拟得到的时间尺度总体一致。综上所述，超俯冲带地幔可以通过幕式、短暂且高通量的熔-岩反应发生快速改造，而非仅受长期、缓慢的亚固态元素交换控制。

图1 西藏罗布莎和北祁连玉石沟蛇绿岩地质简图及研究区位置

图2 铬铁矿及共生橄榄石的Ni-Mg同位素组成及矿物间Ni-Mg同位素分馏

图3 铬铁矿-橄榄石矿物间Ni-Mg同位素差异及矿物中Ni-Mg元素含量的关系

图4 铬铁矿和橄榄石中的Ni-Mg同位素组成与Ni-MgO含量间的关系

图5 罗布莎和玉石沟代表性铬铁矿颗粒的Cr#成分剖面及扩散时间-温度模拟结果

图6 铬铁矿Cr-Al扩散模拟获得的时间累积频率分布及Ni-Mg扩散动力学模拟时间尺度

该研究得到国家自然科学基金（Grants 42521005、41973010）和中央高校基本科研业务费专项资金（Grant 2652023001）的联合资助。文章发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》上：Ma, Z., Wang, S-J., Xiong, F., Wang, W., Qiu, K-F., Zhang, L., Chen, Z., Wen, H., Wu, L-G., Nickel and magnesium isotopic evidence for rapid melt-mantle interactions in supra-subduction zone settings。中国地质大学（北京）求真博士后马壮为论文第一作者，王水炯教授为通讯作者。论文合作者包括中国地质科学院地质研究所熊发挥、中国科学技术大学王文忠、中国地质大学（北京）邱昆峰和吴黎光、中国科学院广州地球化学研究所张龙、中国地质科学院矿产资源研究所陈振宇及长安大学温汉捷。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.09.006