Abstract Stable isotope fractionation in magmatic systems depends on equilibrium isotope fractionation between different phases. However, current equilibrium stable isotope theory mostly assumes ideal crystal structures and simple chemical compositions, but it is unclear how the pressure and complex compositional variations in natural microscopic mineral structures affect inter-mineral stable isotope fractionation and thus control stable isotope fractionation in macroscopic magmatic systems. Here, we calculate the Ca O and Mg O bond lengths controlled by pressure and compositional variations of coexisting garnet (Grt) and clinopyroxene (Cpx) in the Roberts Victor eclogites from the Kaapvaal Craton and use these data as a proof of concept to interpret their inter-mineral Ca and Mg isotopic compositions (Δ44/40CaGrt-Cpx and Δ26MgGrt-Cpx). Our results show that the Ca O difference between Grt and Cpx (ΔCa OGrt-Cpx) shows a significant increase with CaO content from 3.4 to 13.6 wt.% in Grt and with pressure from 2.9 to 6.9 GPa. ΔCa OGrt-Cpx has an excellent negative correlation with inter-mineral Ca isotope fractionation corrected for temperature effect (Δ44/40CaGrt-Cpx × T2/106), indicating that inter-mineral Ca isotope fractionation is controlled by pressure and compositional variations of the Grt through effects on the bond lengths. Inter-mineral Mg isotope fractionation corrected for temperature effect (Δ26MgGrt-Cpx × T2/106) in these eclogites shows a negative correlation with pressure but no obvious correlations with the mineral compositions, suggesting the dominant role of pressure effect in addition to temperature. The Mg O bond length of Grt increases by about 0.02 A with increasing CaO content in Grt of these eclogites, implying a mild compositional effect on inter-mineral Mg isotope fractionation. The results suggest that pressure and compositional variations in minerals control the equilibrium stable isotope fractionation between minerals. Utilizing the Ca isotope fractionation factor controlled by crystal chemistry of garnet, our modelling indicates that partial melting of eclogite in the mantle could not significantly fractionate Ca isotopes and, therefore, that low δ44/40Ca values in previously reported basalts cannot be attributed to the involvement of eclogite in their sources. This suggests that crystal chemistry exerts major controls on isotope fractionation in magmatic systems in addition to temperature.

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岩浆系统中钙镁同位素分馏的成分和压力控制

摘要 岩浆系统中稳定同位素分馏依赖于不同相间同位素分馏的平衡。然而，目前的平衡稳定同位素理论大多假设理想的晶体结构和简单的化学成分，但尚不清楚天然微观矿物结构中的压力和复杂的成分变化如何影响矿物间稳定同位素分馏，从而控制宏观岩浆系统中的稳定同位素分馏. 在这里，我们计算了由来自 Kaapvaal Craton 的 Roberts Victor 榴辉岩中的共存石榴石 (Grt) 和单斜辉石 (Cpx) 的压力和成分变化控制的 Ca O 和 Mg O 键长，并使用这些数据作为概念证明来解释它们的矿物间 Ca 和 Mg 同位素组成（Δ44/40CaGrt-Cpx 和 Δ26MgGrt-Cpx）。我们的结果表明，随着 Grt 中 CaO 含量从 3.4 到 13.6 wt.% 和压力从 2.9 到 6.9 GPa，Grt 和 Cpx 之间的 Ca O 差异（ΔCa OGrt-Cpx）显示出显着增加。ΔCa OGrt-Cpx与经温度效应校正的矿物间Ca同位素分馏具有极好的负相关性（Δ44/40CaGrt-Cpx × T2/106），表明矿物间Ca同位素分馏受压力和Grt组成变化的控制通过对键长的影响。这些榴辉岩中经温度效应校正的矿物间镁同位素分馏（Δ26MgGrt-Cpx × T2/106）与压力呈负相关，但与矿物成分无明显相关性，表明压力效应除温度外起主导作用。Grt 的 Mg O 键长增加约 0。02 A 随着这些榴辉岩 Grt 中 CaO 含量的增加，这意味着对矿物间 Mg 同位素分馏的温和成分影响。结果表明，矿物中的压力和成分变化控制着矿物之间的平衡稳定同位素分馏。利用石榴石晶体化学控制的 Ca 同位素分馏因子，我们的模型表明，地幔中榴辉岩的部分熔融不能显着分馏 Ca 同位素，因此，先前报道的玄武岩中的低 δ44/40Ca 值不能归因于参与榴辉岩的来源。这表明除了温度之外，晶体化学还对岩浆系统中的同位素分馏施加了主要控制。暗示对矿物间 Mg 同位素分馏的温和成分影响。结果表明，矿物中的压力和成分变化控制着矿物之间的平衡稳定同位素分馏。利用石榴石晶体化学控制的 Ca 同位素分馏因子，我们的模型表明，地幔中榴辉岩的部分熔融不能显着分馏 Ca 同位素，因此，先前报道的玄武岩中的低 δ44/40Ca 值不能归因于参与榴辉岩的来源。这表明除了温度之外，晶体化学还对岩浆系统中的同位素分馏施加了主要控制。暗示对矿物间 Mg 同位素分馏的温和成分影响。结果表明，矿物中的压力和成分变化控制着矿物之间的平衡稳定同位素分馏。利用石榴石晶体化学控制的 Ca 同位素分馏因子，我们的模型表明，地幔中榴辉岩的部分熔融不能显着分馏 Ca 同位素，因此，先前报道的玄武岩中的低 δ44/40Ca 值不能归因于参与榴辉岩的来源。这表明除了温度之外，晶体化学还对岩浆系统中的同位素分馏施加了主要控制。结果表明，矿物中的压力和成分变化控制着矿物之间的平衡稳定同位素分馏。利用石榴石晶体化学控制的 Ca 同位素分馏因子，我们的模型表明，地幔中榴辉岩的部分熔融不能显着分馏 Ca 同位素，因此，先前报道的玄武岩中的低 δ44/40Ca 值不能归因于参与榴辉岩的来源。这表明除了温度之外，晶体化学还对岩浆系统中的同位素分馏施加了主要控制。结果表明，矿物中的压力和成分变化控制着矿物之间的平衡稳定同位素分馏。利用石榴石晶体化学控制的 Ca 同位素分馏因子，我们的模型表明，地幔中榴辉岩的部分熔融不能显着分馏 Ca 同位素，因此，先前报道的玄武岩中的低 δ44/40Ca 值不能归因于参与榴辉岩的来源。这表明除了温度之外，晶体化学还对岩浆系统中的同位素分馏施加了主要控制。我们的模型表明，地幔中榴辉岩的部分熔融不能显着分馏 Ca 同位素，因此，先前报道的玄武岩中的低 δ44/40Ca 值不能归因于榴辉岩在其来源中的参与。这表明除了温度之外，晶体化学还对岩浆系统中的同位素分馏施加了主要控制。我们的模型表明，地幔中榴辉岩的部分熔融不能显着分馏 Ca 同位素，因此，先前报道的玄武岩中的低 δ44/40Ca 值不能归因于榴辉岩在其来源中的参与。这表明除了温度之外，晶体化学还对岩浆系统中的同位素分馏施加了主要控制。