玄武质岩浆作用是壳幔之间能量转移和物质交换的重要媒介，广泛影响地球内部各圈层之间的演化。玄武岩的化学组成和时空分布特征被认为是理解地球动力学过程的天然探针。随着分析技术的突破，越来越多的金属稳定同位素体系被用于研究地幔的物理化学属性，例如氧逸度和俯冲物质（如碳酸盐岩）再循环导致的地幔不均一性。作为氧化还原敏感元素，钒（V）在玄武岩中的价态受到氧逸度的影响，但对于V同位素能否作为氧逸度示踪剂尚不清楚。应用V同位素示踪氧逸度的前提是了解V同位素在岩浆作用中的分馏机理和主要控制因素。

针对以上问题，研究者围绕南海火山碎屑和中国东部新生代碱性玄武岩，开展了V和Fe同位素研究，并结合Fe3+/∑Fe比值，探讨了V同位素在玄武质岩浆作用中的地球化学行为。

图1. 南海地质背景及国际大洋发现计划（IODP）U1431火山碎屑采样位点

研究者对国际大洋发现计划（IODP）第349航次（U1431位点）钻孔采集的南海火山碎屑进行了V同位素分析，探究了部分熔融、熔体与岩石圈地幔反应、磁铁矿分离结晶过程中的V同位素分馏。南海火山碎屑形成于12.8 Ma至7.4 Ma期间的火山喷发，基于喷发时间及化学组成，这些样品被划分为早期火山碎屑（> 8.3 Ma）和晚期火山碎屑（< 8.3 Ma）。早期火山碎屑具有碳酸盐化熔体的化学组成，由碳酸盐化榴辉岩部分熔融产生。早期火山碎屑的V同位素组成（δ51V = -0.76‰ ~ -0.67‰）轻微重于全硅酸盐地球（BSE, -0.91‰ ± 0.09‰）和洋中脊玄武岩（MORB, -0.84‰ ± 0.02‰），受到海水蚀变和沉积碳酸盐岩加入的影响可忽略不计，反映了碳酸盐化榴辉岩部分熔融产生的V同位素分馏。晚期火山碎屑具有类似于碱性洋岛玄武岩（OIB）的主微量元素组成，是碳酸盐化熔体与上覆岩石圈地幔反应的产物。晚期火山碎屑的V同位素组成（δ51V = -0.62‰ ~ 0.29‰）显著重于早期火山碎屑。

图2. 碳酸质熔体转化为碱性玄武质熔体的示意图模型

碳酸盐化熔体与岩石圈地幔反应过程中，斜方辉石被消耗，单斜辉石和橄榄石沉淀析出，碳酸盐化熔体的化学组成转变为碱性玄武岩。橄榄石几乎不含V，单斜辉石比斜方辉石富集V，且单斜辉石和斜方辉石都比熔体富集50V，消耗斜方辉石和沉淀单斜辉石的净效应导致熔体的V同位素组成略微升高。晚期火山碎屑的δ51V值随SiO2含量的增加显著升高，不能归因于熔体与岩石圈地幔反应。相反，这一趋势是受到了磁铁矿分离结晶的控制。由于磁铁矿富集50V，其分离结晶显著提高了残余熔体的V同位素组成。瑞利分馏模拟表明，结晶相与熔体相间的平均V同位素分馏系数（Δ51Vmineral-melt值）约为-0.30‰。相关工作已发表在地学类期刊《Chemical Geology》上。

图3. 碳酸盐化地幔熔融产生碱性玄武岩过程中的V同位素分馏模式示意图

研究者对中国东部新生代碱性玄武岩进行了V同位素分析，探究了氧逸度和部分熔融程度对V同位素分馏的影响。这些碱性玄武岩由氧化的碳酸盐化地幔低比例部分熔融产生，它们的δ51V值（-0.85‰ ~ -0.61‰）高于BSE和MORB，不是化学蚀变、地壳混染、分离结晶所导致的。碱性玄武岩富集轻Mg和重Zn同位素，指示其地幔源区含有俯冲再循环的沉积碳酸盐岩。由于碳酸盐岩的V含量极低，不足以直接提高地幔的V同位素组成。

碱性玄武岩富集51V的特征反映了部分熔融过程中的V同位素分馏。氧逸度和部分熔融程度决定了硅酸盐熔体中V5+、V4+、V3+的相对丰度。高氧逸度的玄武质熔体具有更高的V价态，由于高价V与51V的亲和关系，玄武质熔体中51V的富集程度随氧逸度的升高而增强。碱性玄武岩富集Fe3+/∑Fe（0.21 ~ 0.64）和重Fe同位素（δ56Fe = 0.11‰ ~ 0.27‰），其δ51V和δ56Fe呈正相关，进一步指示了氧逸度对V同位素分馏的影响。此外，在橄榄石、尖晶石、石榴石、单斜辉石、斜方辉石等地幔矿物中，从V3+到V4+再到V5+，不相容性逐渐增强。地幔低比例部分熔融时，熔体中高价V的富集程度更高，导致更显著的V同位素分馏。随着部分熔融程度增加，残余地幔释放的低价V比例升高，稀释熔体中V的平均价态，导致V同位素分馏效应减弱。因此，氧逸度和部分熔融程度可能是控制地幔部分熔融过程中V同位素分馏的两个主要因素。相关工作已发表在地学类期刊《Lithos》上。