蚀变洋壳的Cu和Zn同位素组成

铜（Cu）和Zn（锌）属于第一过渡族金属元素。Cu有0，+1和+2三个价态，Zn有0和+2两个价态。Cu-Zn都属于中等挥发性元素，半凝聚温度分别为1037K和726K。Cu-Zn属于亲硫元素、中等不相容性元素、流体活动性元素、成矿元素和生命必须元素。

Cu有⁶³Cu和⁶⁵Cu两种同位素，自然丰度分别为69.17%和30.83%；Zn有⁶⁴Zn、⁶⁶Zn、⁶⁷Zn、⁶⁸Zn和⁷⁰Zn五种同位素，自然丰度分别为48.63%、27.90%、4.10%、18.75%、和0.62%。多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICPMS）的出现，使得Cu-Zn同位素组成的高精度测定成为可能（δ⁶⁵Cu和δ⁶⁶Zn和分析误差2SD ≤0.05‰），推动了Cu和Zn同位素天体和地球化学的快速发展。Cu-Zn同位素现已被广泛应用于研究早期太阳系演化，月球成因，地核-地幔分异，俯冲物质再循环，火山去气，大陆风化，古环境/气候变化，全球大洋/河流金属循环，金属矿床成因以及生命活动和疾病诊断等一系列重要的科学问题。由于Cu-Zn与人类活动和工业生产息息相关，其同位素也被用来研究水系和土壤污染等重要的现代环境问题。

在更好地利用Cu-Zn同位素制约成矿金属的来源和壳幔相互作用之前，当务之急是准确地制约各主要硅酸盐地质储库的Cu-Zn同位素组成。前人的研究表明，上地壳的δ⁶⁵Cu= 0.01 ± 0.30‰，地幔的δ⁶⁵Cu= 0.07 ± 0.10‰，和δ⁶⁶Zn= 0.28 ± 0.05‰，海水的δ⁶⁵Cu= 0.90‰ 和δ⁶⁶Zn= 0.51‰。然而，到目前为止，还没有关于蚀变洋壳的Cu-Zn同位素组成的报道，极大地制约了Cu-Zn同位素地球化学的发展。此外，蚀变洋壳无一例外地经历了低温海水蚀变和高温热液蚀变，Cu-Zn同位素的研究将会很好地制约在蚀变洋壳形成过程中的水-岩交换过程。本文分析了东太平洋隆起处国际大洋钻探计划（IODP）1256钻孔获得的蚀变洋壳的Cu-Zn同位素组成, 从而研究洋壳蚀变过程中的Cu-Zn同位素分馏行为和制约蚀变洋壳的Cu-Zn同位素组成。

IODP1256钻孔处的洋壳，从上到下主要由火山岩部分（~250‒1004.2mbsf）、熔岩-岩墙过渡带（1004.2~1060.9mbsf）、席状岩墙（1060.9~1406.9mbsf）和侵入岩部分组成。洋壳的蚀变温度随着深度的加深逐渐升高（图1）。火山岩部分的蚀变温度在50‒135^oC，过渡带为~130‒180^oC，席状岩墙和侵入岩部分为~400‒850^oC。经历低温（<250^oC）蚀变的洋壳样品具有相对较高的δ¹⁸O和Li/Yb以及相对较低的氧逸度，而经历高温蚀变的洋壳样品具有相对较低的δ¹⁸O和Li/Yb以及相对较高的氧逸度。

图1. IODP 1256钻孔样品的蚀变温度、δ¹⁸O、Li/Yb和氧逸度随着深度的变化趋势。

IODP1256处的蚀变洋壳具有不均一的Cu-Zn同位素组成，δ⁶⁵Cu和δ⁶⁶Zn分别为-0.50 ~0.90‰和-0.09 ~0.55‰。其中, 经历低温（<250^oC）热液蚀变的玄武岩具有与正常地幔相似的Cu-Zn同位素组成（δ⁶⁵Cu= 0.08 ± 0.10‰, 2SD, n = 21; δ⁶⁶Zn = 0.26 ± 0.12‰, 2SD, n = 21）（图2）；而经历高温热液蚀变的玄武岩和辉长岩的Cu-Zn同位素组成变化较大（δ⁶⁵Cu= -0.50 ~ 0.90‰, δ⁶⁶Zn = -0.09 ~ 0.55‰）（图2）。

图2. IODP 1256钻孔样品的Cu和Zn含量以及同位素组成随着深度的变化趋势。

具有显著变化δ⁶⁵Cu和δ⁶⁶Zn的样品，同样具有较低的Cu-Zn含量，较低的Li/Yb（<1.0）和较低的δ¹⁸O（<5‰）（图3），说明高温热液蚀变导致洋壳的Cu-Zn丢失，同时伴随着显著的Cu-Zn同位素分馏。Cu同位素分馏可以归结于氧化还原反应以及热液中溶解Cu（e.g.,[CuCl₃]^2-）与蚀变洋壳中Cu之间的同位素分馏；而Zn同位素分馏可以归因于热液中溶解Zn（e.g.,Zn (HS)₄^2-）与蚀变洋壳中Zn之间的同位素分馏。本文在国际上首次测定了完整洋壳剖面的Cu-Zn同位素组成，为利用Cu-Zn同位素示踪成矿金属来源和壳慢相互作用提供理论基础。

图3. IODP 1256蚀变洋壳样品中Li/Yb、δ¹⁸O与δ⁶⁵Cu、δ⁶⁶Zn图解。

该成果于2016年10月发表在Journalof Geophysical Research: Solid Earth上，第一作者为中国科学技术大学的特任副研究员黄建博士。本研究成果受国家重点研发计划“深地资源勘查开采”专项（2016YFC06004）和国家自然科学基金（41573018，41303015，41473017）联合资助。

论文信息：Huang, J., Liu,S.-A., Gao, Y., Xiao, Y., Chen, S., 2016. Copper and zinc isotope systematicsof altered oceanic crust at IODP Site 1256 in the eastern equatorial Pacific. Journal of Geophysical Research: Solid Earth121, 7086-7100.http://dx.doi.org/10.1002/2016JB013095.