近日，国际地球化学与宇宙化学权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表了成都理工大学行星中心张兆峰团队关于稳定铈（Ce）同位素在岩浆分异过程中分馏的重要成果。该研究以冰岛赫克拉（Hekla）火山连续分异的火山岩为研究对象，系统揭示了Ce同位素在高温岩浆过程中的分馏特征，为应用Ce同位素示踪地球表生氧化还原演化和深部物质循环提供了关键理论依据。

Ce是稀土元素家族中唯二（另一个是Eu）具有变价特征的元素（+3和+4价）。Ce在地质过程中的特殊行为使其成为重建古环境氧化还原条件的重要指标。传统的Ce异常指标（Ce/Ce*，代表Ce相对于相临元素La和Pr发生亏损或富集）虽被广泛应用，但易受化学风化、络合作用等非氧化还原过程的影响，其解释存在不确定性。近年来，稳定Ce同位素分析技术的突破使其成为极具潜力的新兴地球化学示踪剂之一。然而，要准确应用这一指标，首先必须理解Ce同位素在高温岩浆过程中的行为。为此，本研究选取冰岛赫克拉火山序列为对象，该套样品成分变化大且连续，从玄武岩一直演化到流纹岩，被认为是同源岩浆连续结晶分异的产物，是开展相关研究最理想的天然样品。

研究团队对Hekla 23件火山岩样品进行了高精度Ce同位素分析，结果表明全岩的δ¹⁴²Ce变化范围较窄，为-0.007‰至0.070‰，平均值为0.032 ± 0.045‰（2SD）。不同岩性之间的δ¹⁴²Ce差异为～0.06‰，比当前分析精度（0.04‰）相当或略高，并且δ¹⁴²Ce与SiO₂和Ce没有相关性，表明岩浆分异过程中Ce同位素未发生显著分馏（图1）。由于Ce属于高度不相容性的元素，在演化的Hekla岩浆系列中Ce同位素分馏较小是合理的。

图1 冰岛Hekla火山岩的δ¹⁴²Ce随全岩SiO₂和Ce含量变化的关系图

高温岩浆过程不会显著改变Ce同位素的原始组成，这为Ce同位素的应用提供了两个重要前提：1）示踪古氧化还原环境，沉积岩中如果出现显著的Ce同位素异常，很可能与表生过程有关；2）示踪深部物质循环，地幔与表壳储库（如碳酸盐岩、铁锰结核、海洋沉积物等）具有截然不同的Ce同位素特征（图2），且岩浆过程不会掩盖这些差异。这意味着Ce同位素可能成为示踪俯冲带弧岩浆的沉积物再循环的潜在的示踪剂。

图2. 岩浆岩、变质岩以及沉积物的Ce同位素组成

本研究证实了在Hekla相对还原（FMQ -0.5～+0.4）的板内岩浆体系中Ce同位素分馏有限，但在更复杂的体系中（如俯冲带更氧化的钙碱性岩浆体系），Ce同位素的行为仍需进一步探索。在高演化、富碱的成矿体系中，富含Ce的副矿物（如磷灰石、榍石、锆石、硅铈石等）的大量结晶可能产生可测量的同位素分馏，可能为成矿过程研究提供新视角。¹⁴²Ce和¹⁴⁰Ce之间的半径差异较大，理论上¹⁴²Ce/¹⁴⁰Ce会受到核体积效应（非质量依赖分馏）的影响，且其分馏方向与质量依赖分馏相反，导致净分馏减小。相反，¹³⁶Ce/¹⁴⁰Ce比值几乎不受核体积效应的影响，据此推测¹³⁶Ce/¹⁴⁰Ce可能是更敏感的古氧化还原示踪剂。

该研究得到国家自然科学基金 (42330102, 42403010, 42473013, 42241153) 的资助。论文第一作者是成都理工大学吴鹏副教授，通讯作者是刘芳副研究员，共同作者还包括成都理工大学安亚军副研究员、李欣副研究员和张兆峰教授，东华理工大学凌明星教授以及圣安德鲁斯大学Paul Savage博士。

论文信息：Peng Wu., Fang Liu*., Lei Li., Zhengjie Zhao., Jiaojiao Wu., Wenke Wang., Yajun An., Xin Li., Paul Savage., Mingxing Ling., Zhaofeng Zhang., 2026. Stable cerium isotope fractionation during basalt-rhyolite magmatic differentiation., Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.02.032

原文链接：https://authors.elsevier.com/c/1mhDI3p4Zfvnk