铁（Fe）的原子序数是26，是太阳系中丰度最高的金属元素。铁在自然界中存在 54Fe（5.85%）、 56Fe（91.75%）、 57Fe（2.12%）和 58Fe（0.28%）四种稳定同位素（ Johnson et al.，2020）。铁同位素的表达式一般用样品相对国际标样IRMM-014的千分偏差表示：
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式中， x为Fe元素原子量，一般为56或57。
铁同位素结果的另一种表示方式是 δ x Fe BSE，意为相对整体硅酸盐地球的铁同位素平均值的千分偏差。两者换算关系为：δ 56Fe BSE= δ 56Fe IRMM-014+0.09（ 朱祥坤等，2013）。铁是变价元素（Fe 0、Fe 2+、Fe 3+），广泛参与地质活动中各种氧化还原反应，调节着地质过程中的氧逸度，对理解地球的核幔分异、壳幔分异、地壳演化以及现代火成岩的形成条件有着重要意义（ 何永胜等，2015；Johnson et al.，2020）。2000年以来，多个课题组尝试开展不同温度和压力条件下的铁同位素分馏实验研究。早期的实验主要集中在低温水溶液中的铁同位素分馏过程。Johnson等（2002）和 Welch等（2003）研究了室温和 0 ℃条件下水溶液中含二价铁和三价铁物质之间的同位素分馏，认为无论是平衡分馏还是动力学分馏，都和温度相关，但与溶液中的氯化物含量无关。Skulan等（2002）采用密封的耐热玻璃烧瓶，在 98 °C条件下开展了富三价铁的含水矿物与赤铁矿之间的平衡分馏和动力学分馏实验，获得的铁的平衡分馏值小于前人理论计算值（ Polyakov and Mineev，2000；Schauble et al.，2001），认为铁同位素分馏主要受控于氧化铁沉淀过程中的动力学分馏。Butler等（2005）和 Guilbaud等（2010）通过四方硫铁矿 2~40 °C的沉淀实验，得到了类似的结论，他们发现四方硫铁矿与共存的二价铁之间的同位素分馏受沉淀速率影响。Hill等（ 2009， 2010）测量了 20 ℃下不同氯离子浓度溶液中铁同位素分馏，发现二价铁和三价铁之间平衡分馏受氯离子浓度影响。这些低温实验的主要问题是很难达到同位素平衡，比如 Skulan等（2002）实验时间最长达203天。铁在类地行星核中占据主导地位，也是行星幔的主要元素之一，因此，行星的核幔分异过程是否造成铁同位素分馏，一直是科学家感兴趣的问题，高温高压条件下铁同位素分馏实验研究也大部分着眼于此。Poitrasson等（2009）采用石墨样品舱，在活塞圆筒设备和多面顶压机中开展 2000 ℃和 2~7.7 GPa条件下的实验制约地球的核幔分异过程铁同位素分馏行为，提出液态金属相和硅酸盐熔体之间不发生铁同位素分馏，且硫的加入不会改变这一结果；Hin等（2012）采用离心活塞圆筒设备（相比传统活塞圆筒压机，离心活塞圆筒压机可以更有效的实现金属和硅酸盐熔体的分离）在 1250~1300 ℃和 1 GPa条件下进行了金属和硅酸盐熔体之间的铁同位素平衡分馏实验得出了类似的实验结果。Liu等（2017）采用NRIXS技术，测量了 0~206 GPa下玄武质玻璃和铁合金的声子态密度，计算出地球核形成条件下玄武质玻璃与富铁合金之间的铁同位素平衡分馏大约只有0‰~0.02‰，远小于玄武岩中测得的0.1‰的铁同位素组成偏差，认为地幔的铁同位素组成，无法用地核形成导致铁同位素分馏进行解释。Prissel等（2018）采用NRIXS技术结合结晶实验，研究熔体中钛含量和橄榄石结晶过程对玄武岩中铁同位素分馏的影响，结果表明，钛含量对铁同位素分馏无影响，且在月球氧逸度条件下（IW-1），橄榄石和熔体间的铁同位素分馏不可分辨，因此，橄榄石富集轻铁同位素的特征不能用结晶分异过程进行解释。与此同时，很多实验研究显示核幔分异过程中金属相和硅酸盐相之间存在显著的铁同位素分馏。Roskosz等（2006）采用垂直混合气炉，在 1500 ℃和常压条件下，lg fO 2为–0.7~–8，研究了硅酸盐熔体和金属相分离过程中铁同位素的分馏情况，结果表明分离初期主要表现为动力学分馏，金属相富集轻的铁同位素， Δ56Femetal-melt∆F56emetal-melt 可达–2.35‰，而当硅酸盐熔体和金属相平衡时，金属相富集重Fe同位素， Δ56Femetal-melt∆F56emetal-melt 为0.2±0.15‰。Shahar等（2015）采用类地球和类火星两种初始物，使用氮化硼（BN）样品舱（可以有效防止Fe丢失），在 1650 ℃和 1~2 GPa条件下，开展了一系列高温高压实验，结果显示金属相和硅酸盐之间铁同位素分馏可分辨，金属相富集重的铁同位素，且分馏随着硫含量的增加而增大，在金属中含硫18%时， Δ56Femetal-melt∆F56emetal-melt 达到0.43‰±0.03‰。Elardo及其合作者模拟了行星核形成过程中金属相和硅酸盐相之间的铁同位素分馏 （1850 ℃和 1 GPa）， 也发现金属相富集重的铁同位素，且金属相和硅酸盐相之间的分馏 Δ57FeCore-Mantle∆F57eCore-Mantle 会受镍、硫、硅含量的影响（ Elardo and Shahar，2017；Elardo et al.，2019）。Shahar等（2016）利用NRIXS技术研究合金成分对铁同位素分馏的影响 （2~40 GPa）， 发现不同铁合金与纯铁之间存在明显的铁同位素组成差异，比如铁氢合金和铁碳合金相对于纯铁的同位素分馏很大。Ni等（2020）将类地核成分的铁-镍-硫粉末密封在硅管中并置于高温炉中，在常压， 1260~1470 ℃条件下，模拟了行星核结晶过程中的铁同位素分馏，发现固态金属相对液态金属倾向于富集重的铁同位素，提出行星核结晶可以解释铁陨石的δ 57Fe值（0.133‰±0.038‰）。Polyakov（2009）重点研究了压力对铁同位素分馏的影响，发现在超高压（超过 100 GPa）条件下，金属相富集轻的铁同位素。Shahar和Young（2020）总结了研究行星核行程过程中铁同位素分馏的活塞圆筒压机实验和NRIXS实验方法的优缺点，作者认为金属和硅酸盐之间存在铁同位素分馏，其分馏程度取决于压力、温度、金属和硅酸盐的成分以及铁的价态。Ni等（2022）用NRIXS技术建立铁同位素在行星核与幔之间的分馏模型，提出行星大小会影响核幔之间的铁同位素分馏，体积较小的行星的幔可能富集轻的铁同位素，而类似地球大小的行星幔可能具有较重的铁同位素组成。另一方面，铁也是一种重要的金属矿产，广泛用于建筑、机械、汽车、电子等领域。高温高压条件下的铁同位素分馏实验在矿床学等领域也有一定的研究基础和应用前景。Schuessler等（2007）采用内部加热高压釜（Internally heated gas pressure vessel，IHPV）在 840~1000 ℃和 500 MPa条件下，模拟磁黄铁矿和过碱性流纹岩熔体之间的铁同位素分馏，结果发现磁黄铁矿优先富集轻铁同位素， Δ56FePyrtie-melt∆F56ePyrtie-melt 为–0.35±0.04‰，并认为铁的氧化状态和配体差异是控制铁同位素 分馏的重要因素。Syverson等（2013， 2017）在 350 ℃和 50 MPa条件下，进行黄铁矿、黄铜矿与溶解铁的铁同位素平衡分馏实验，结果有助于理解海底热液系统黄铁矿、黄铜矿的形成机制。![]()
综上，已有的高温高压条件下铁同位素分馏行为的研究进展显示，不同温度、压力、氧逸度以及体系的矿物相和化学组成都会影响铁同位素的分馏趋势和分馏程度。这对于我们理解地球早期环境、行星形成过程以及早期的核-幔-壳分异过程都具有重要意义。此外，矿床中的金属元素往往来源于地球深部，而高温高压条件下铁同位素分馏实验可以成为连接地球深部过程与地表矿床形成的桥梁，实验结果有助于揭示矿床的形成机制，为找矿勘探和资源评价提供理论依据。本文摘录自：
张川, 李琼, 杜蔚, 非传统稳定同位素平衡分馏的高温高压实验研究进展, 矿物岩石地球化学通报，2024., -, ISSN 1007-2802, https://doi.org/10.3724/j.issn.1007-2802.20240096
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