铬尖晶石作为重要的岩石成因指示剂，广泛应用于镁铁-超镁铁质岩研究。其成分（如Cr#=100×Cr/(Cr+Al)）被用于定量表征地幔橄榄岩的部分熔融程度。然而，蛇绿岩中的地幔橄榄岩及其赋存的铬尖晶石往往经历了复杂的交代-变质叠加改造，这些后期地质过程可能显著改变其原始地球化学特征。因此识别和解析幔源橄榄岩的成因成为当前岩石学研究的重要挑战。
中国科研实验室地质与地球物理研究所的博士后潘旗旗与导师苏本勋研究员及其合作者顺利获得对土耳其Lycian蛇绿岩地幔序列（铬铁矿、纯橄岩、方辉橄榄岩）的研究，利用原位微区氧同位素分析技术（SIMS），首次系统报道了铬尖晶石及其共生矿物的原位氧同位素数据，揭示铬尖晶石的氧同位素组成不仅能够指示岩浆分异过程，更能精确追踪幔源橄榄岩中交代作用的发生。
研究表明，铬铁岩中铬尖晶石的δ18O值（2.00‰–4.81‰）随Cr#升高而降低（图1），且δ18O值与MgO、Al2O3含量呈显著正相关关系（图2a、图2b），表明岩浆分异作用显著影响铬尖晶石的成分。含角闪石铬铁岩样品中的铬尖晶石δ18O值（2.00‰–3.45‰）明显低于无粒间角闪石的样品（4.12‰–4.81‰），证明流体的参与能显著增强氧同位素分馏。橄榄石作为铬铁岩中的次要矿物，其δ18O（5.25‰–6.68‰）随Fo值增加而升高（图3a），指示了橄榄石与铬尖晶石之间的再平衡过程。含水流体的存在不仅会促进元素扩散，还会显著降低氧同位素交换的封闭温度（Schannor et al., 2018）。这一机制很好地解释了含角闪石与不含角闪石纯橄岩中铬尖晶石δ18O值（1.04‰–3.73‰; 2.40‰–3.16‰）的差异。
图1 土耳其Lycian蛇绿岩地幔序列样品中矿物的氧同位素组成
图2 土耳其Lycian蛇绿岩地幔序列样品中铬尖晶石的氧同位素与成分相关性图解
图3 土耳其Lycian蛇绿岩地幔序列样品中矿物的氧同位素与成分相关性图解
在Lycian蛇绿岩方辉橄榄岩中，铬尖晶石的δ18O值（1.89‰–4.87‰）与Cr#呈负相关，与其MgO和Al2O3含量呈正相关（图2），显示出与铬铁岩中一致的地球化学趋势。方辉橄榄岩的铬尖晶石中普遍存在多种矿物包裹体（Pan et al., 2022），其类型与铬铁矿岩中相似，暗示二者具有成因联系。铬尖晶石颗粒偶尔被斜方辉石颗粒包围或与单斜辉石共存，矿物之间的边界模糊（图4a、图4b）。橄榄石的δ18O值在部分熔融过程中通常升高（Wiechert et al., 1997），这与Lycian方辉橄榄岩中橄榄石的恒定氧同位素组成（4.90‰–5.44‰）及其缺乏与Fo值的相关性形成鲜明对比。橄榄石不仅以粒间矿物的形式存在，还常作为包裹体存在于铬尖晶石和斜方辉石中，有时呈细脉穿切斜方辉石，或以细小颗粒分布于粗粒斜方辉石的边部（图4b-图4e）。单斜辉石的δ18O值（5.14‰–6.56‰）与Cr2O3含量呈负相关（图3b），不同于部分熔融特征。单斜辉石通常呈他形粒状产出，散布于橄榄石和斜方辉石颗粒之间，或存在于粗粒斜方辉石边缘（图4a-图4c、图4e）。值得注意的是，这些单斜辉石颗粒常与铬尖晶石紧密共生，揭示了两者的成因联系。斜方辉石δ18O值均一（5.18‰–6.63‰），并与铬尖晶石和橄榄石达到氧同位素平衡（图3c-图3d）。此外，某些粗粒斜方辉石颗粒实为不同硅酸盐矿物与铬尖晶石组成的集合体（图4f）。综上，Lycian蛇绿岩中的方辉橄榄岩并非部分熔融残余，而是由熔体/流体交代作用所形成。尽管其矿物组合与熔融残余相似，但成因机制不同，其难熔特征源于“隐匿交代作用（stealth metasomatism）”，区别于部分熔融后的再富集过程。
图4 土耳其Lycian蛇绿岩方辉橄榄岩中矿物的形态特征。（a）斜方辉石残斑，（b）单斜辉石与铬尖晶石的共生结构,（c）斜方辉石中的橄榄石包裹体，（d）斜方辉石残斑（e）沿粗粒斜方辉石边部产出的细粒橄榄石和单斜辉石，（f）细粒硅酸盐矿物和铬尖晶石组成的集合体
该研究挑战了铬尖晶石对后期改造不敏感的传统观点。研究结果显示方辉橄榄岩中铬尖晶石δ18O对交代作用的响应远强于硅酸盐矿物：橄榄石δ18O波动仅为0.54‰，辉石波动约1.5‰，而铬尖晶石的变化范围高达3‰。这一发现不仅重新定义了铬尖晶石在地幔岩成因研究中的角色，也为探讨地幔交代过程给予了新的氧同位素示踪工具。
研究成果发表于JP（潘旗旗，肖燕，苏本勋，傅斌，张鹏飞，Paul T. Robinson，Ibrahim Uysal，Ian S. Williams. Oxygen isotopes of Cr-spinel as a pathfinder for metasomatism in mantle peridotites[J]. Journal of Petrology, 2025, 66: egaf055. DOI: 10.1093/petrology/egaf055.）。研究由国家自然科学基金（92462305, 42350001, 42172074和42372097）资助。
潘旗旗（博士后）
