💡这项突破是什么?
岩浆硫化物矿床相关的矿石的Ni同位素组成变化巨大，且大多数样品具有极低的δ60/58Ni值。因此，Ni同位素往往被用来示踪关键金属的运移和富集。研究者们尝试通过硫化物熔离和分离结晶过程来解释Ni同位素分馏现象，但现有认识主要是基于全岩分析数据，该方法存在两个局限性：1），不同硫化物矿物之间可能存在Ni同位素组成差异；2），全岩分析会掩盖矿物尺度的同位素特征，导致难以准确揭示岩浆过程中真实的同位素分馏行为。因此，硫化物中Ni同位素显著分馏的内在机制仍不清楚。
为了深入探究硫化物矿物间的Ni同位素分馏机制，中国地质大学（北京）王水炯课题组选取了中国三个典型的岩浆镍铜硫化物矿床 —— 图拉尔根、葫芦和金川 —— 开展了系统的矿物尺度Ni同位素研究。基于样品的X射线荧光（XRF）元素分布特征，该课题组采用高精度微钻取样技术，提取了磁黄铁矿、镍黄铁矿和黄铜矿进行Ni同位素分析。研究结果显示，不同矿床的硫化物矿物表现出显著的Ni同位素组成差异，δ60/58Ni值从-1.22 ‰变化至0.30 ‰（图1），不同矿床的硫化物矿物呈现出明显不同的Ni同位素分布特征。
金川矿床的硫化物Ni同位素组成相对均一，其中镍黄铁矿（δ60/58Ni = -0.07 ‰ ~ 0.11 ‰）、磁黄铁矿（-0.10 ‰ ~ 0.06 ‰）和黄铜矿（0.04 ‰ ~ 0.06 ‰）的Ni同位素比值较为接近。葫芦矿床的硫化物Ni同位素组成与金川矿床类似，其中镍黄铁矿（0.13 ‰ ~ 0.30 ‰）略重于磁黄铁矿（-0.17 ‰ ~ -0.03 ‰），而两个黄铜矿的δ60/58Ni值差异显著（-0.04 ‰和0.14 ‰）。图拉尔根矿床的硫化物则表现出更轻的Ni同位素特征，其中块状矿石中的镍黄铁矿（-0.36 ‰ ~ -0.30 ‰）和磁黄铁矿（- 0.55‰ ~ -0.38 ‰）的Ni同位素组成较为均一，而黄铜矿的Ni同位素最轻（-1.22 ‰ ~ -0.44 ‰）。网状矿石的硫化物Ni同位素组成（-0.66 ‰ ~ -0.15 ‰）可能代表多种硫化物矿物混合的信号。
为了探究矿物间的镍同位素差异是否代表矿物间的平衡镍同位素分馏，课题组通过第一性原理计算厘定了硫化物矿物间的平衡镍同位素分馏系数，为硫化物矿物间的镍同位素分馏提供了理论约束。计算结果表明，在天然镍丰度水平上硫化物的简约配分函数比按黄铜矿 ≈ 磁黄铁矿 < 镍黄铁矿 < 黄铁矿的顺序增加 （图2）。磁黄铁矿和镍黄铁矿之间的平衡镍同位素分馏系数受温度和磁黄铁矿中Ni/（Ni + Fe）比的影响。天然样品中磁黄铁矿和镍黄铁矿之间的镍同位素差异与磁黄铁矿的Ni/（Ni + Fe）比呈正相关的现象进一步支持了这一点。相比之下，图拉耳根矿床的黄铜矿与镍黄铁矿之间呈现较大的镍同位素差异，从-0.89 ‰变化至-0.11 ‰，表明黄铜矿和镍黄铁矿之间存在较长时间尺度的亚固态镍同位素交换。
据此，课题组定量评估了硫化物熔离和分离结晶过程中的镍同位素地球化学行为（图3），为不同类型硫化物矿床中关键金属的迁移和富集行为提供了重要信息（图4）。图拉耳根矿床的母岩浆相对氧化，导致大量轻镍同位素的硫化物溶解到熔体中，使得从熔体中结晶出的硫化物矿物具有轻镍同位素特征；葫芦和金川矿床可能在深处经历了早期的硫化物熔离事件，导致后期结晶的硫化物继承了成矿岩浆的重镍同位素特征。
图1 不同硫化物矿床的硫化物矿物的镍同位素组成
图2 硫化物矿物的简约配分函数比
图3硫化物熔离和分离结晶过程中的镍同位素分馏的模拟
图4 图拉耳根、葫芦和金川岩浆硫化物矿床中硫化物熔离和分离结晶过程的示意图
该文结合第一性原理计算和原位微钻硫化物镍同位素分析，探讨了硫化物矿床中矿物间Ni同位素组成变化机理和潜在应用。研究成果发表于国际权威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。中国地质大学（北京）科学研究院博士研究生马壮为论文第一作者，王水炯教授为论文通讯作者，论文合作者包括中国科学技术大学王文忠特任教授，长安大学Matthew J. Brzozowski教授，以及我校赵云副教授、薛胜超教授、李瑞鹏、苏尚国教授、杨玠副教授。该成果得到了国家自然科学基金（Grant 41973010）和中央高校基本科研业务费专项资金（Grant 2652023001，WK2080000189）的联合资助。
Ma, Z., Wang, S-J*., Wang, W., Brzozowski, M.J., Zhao, Y., Xue, S., Li, R., Su, S., Yang, J., Nickel isotopic variations in Ni–Cu sulfide deposits: from theoretical predictions to natural observations, Geochimica et Cosmochimica Acta (2025).
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.07.008
