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钾（K）是一种碱金属元素，高水溶性，高活动性，同时具有高度的不相容性。K是大陆地壳的主量元素，其约占大陆地壳的1.81%（K2O%; Rudnick and Gao Shan，2003），为第七多的元素; 而在洋壳和地幔中，其为少量元素甚至微量元素，在洋壳中其平均质量浓度仅约为651×10-6，而在地幔中其平均质量浓度则低至191×10-6（Wang Kun et al.，2021）。在地壳中，最主要的含钾造岩矿物为云母类矿物（包括白云母和黑云母）和长石类矿物（碱性长石为主），其中K2O均达到百分含量以上，此外在地表过程中特别是风化过程中产生的黏土矿物也富集K元素。
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K有三个同位素（39K、40K和41K），其中39K和41K为稳定同位素，目前分别占比0.932581和0.067302（De Laeter et al.，2003）; 而40K为放射性同位素，会以β-和β+衰变为40Ca和40Ar，半衰期为1.248×109±0.003×109 a（Kossert and Günther，2004），这一衰变释放的能量为地球早期演化最主要能量来源之一，现今40K占比约为0.000117。K的两个主要稳定同位素间的相对质量差较大（达到5%），这种大的质量差使得K同位素在地质过程中可产生较大的质量相关分馏（Humayun and Clayton，1995a，1995b; Teng Fang-Zhen et al.，2020; Wang Kun et al.，2021a），因而K同位素是潜在的地球化学“示踪剂”。然而自20世纪初叶首次利用热电离质谱（TIMS）测得39K/41K，长期以来K同位素的高精度测试一直没有显著的突破，其精度一直在0.5%~1%徘徊。直至2010年后，高速发展的多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术使得钾同位素高精度测试成为可能。目前，各种技术路线的K同位素的测试精度能达到优于0.1‰的水平。在此精度水平下，可以观察到地质样品和地外样品的K同位素的显著变化，因此，近年来K同位素地球化学/宇宙化学的研究迎来了新的热潮，涌现出很多优秀的研究成果。目前，地球主要储库的K同位素组成已经基本清晰，并在此基础上已经开展了初步的示踪应用探索，并已在以下方面取得了重要进展:① 基本查明了地球主要储库以及各类陨石、月球、类地行星的K同位素组成（Wang Kun and Jacobsen，2016a; Hille et al.，2019; Tian Zhen et al.，2020; Wang Kun et al.，2020; Ionov and Wang Kun，2021）; ② 各类主要地质过程（包括岩浆分异、大陆风化过程、洋壳蚀变等）中K同位素的分馏行为（Tuller-Ross et al.，2019; Liu Haiyang et al.，2020; Ramos et al.，2020; Teng Fang-Zhen et al.，2020; Chen Heng et al.，2020; Hu Yan et al.，2021b; Li Wenshuai et al.，2021a，2021b; Wang Kun et al.，2021b）; ③ K同位素再循环及示踪（Sun Yang et al.，2020; Hu Yan et al.，2020，2021a; Liu Haiyang et al.，2021b）; ④ 利用第一性原理理论预测了矿物间、矿物与水溶液间K同位素分馏系数（Li Weiqiang et al.，2017; Li Yonghui et al.，2019a，2019b; Zeng Hao et al.，2019）; ⑤ 宇宙化学中的探索和应用（月球成因，陨石形成等）等（Wang Kun and Jacobsen，2016b; Jiang Yun et al.，2019; Koefoed et al.，2020; Ku and Jacobson，2020; Zhao Chen et al.，2020; Jiang Yun et al.，2021; Wang Kun，2021）。
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本文主要回顾近年来K同位素在高温地球化学领域所取得的重要进展，首先简要回顾高精度K同位素测试方法发展，然后简要介绍主要地质储库的K同位素组成特征以及主要地质过程特别是高温地质过程中K同位素的分馏行为和机制，并回顾K同位素在高温地球化学研究中的应用实例和潜力，最后对潜在的K同位素的地质应用提出了展望。星际过程及宇宙化学中K同位素的研究应用暂不在本文讨论范围内，感兴趣的读者可以参考最新相关综述文献的对应章节（Wang Kun et al.，2021a）。
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1 高精度钾同位素测试方法
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1.1 钾的化学分离
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由于MC-ICP-MS测试过程中存在明显的基质效应（matrix effect）的影响，基质元素的存在会由于空间电荷效应导致待测同位素间在传输过程中的发生显著的分馏，从而影响K同位素比值的测试结果，并且不同的基质元素的影响程度或者容忍程度不同。因此，在MC-ICP-MS开展高精度K同位素分析前，需要在前期的分离纯化过程中尽可能纯地将K从基体中分离出来。目前各同位素实验室大多使用阳离子交换色谱来实现K的分离，使用的树脂有AG50W-X8和AG50W-X12，淋洗液有HNO3、HCl以及HCl+HF; 同时也有一个实验室采用液相色谱实现半自动的K同位素分离（Morgan et al.，2018）。此外由于K仅有两个稳定同位素，目前尚未开发出稀释剂法，因此回收率（Yield）的要求也比较高（一般应＞99%）以尽量避免分离纯化过程中在离子交换柱上的K同位素分馏（Chen Heng et al.，2019）。
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1.2 钾同位素的质谱分析及同位素组成表示
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尽管从20世纪20年代开始已经开展了对K同位素组成的测试，但是一直到2016年为止，尽管经历了TIMS-二次离子质谱（SIMS）的技术改进，精度也提高到~0.5‰，但还是无法区分出地质主要储库的K同位素变化。自2016年起，MC-ICP-MS开始应用到K同位素分析中，经过约6年的发展，分析精度水平得到显著提升。
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由于K只有两个稳定同位素，同其他类似的同位素体系（如锂）一样，在MC-ICP-MS分析过程中主要采用标准-样品间插法进行仪器分馏校正。目前，在使用MC-ICP-MS分析金属稳定同位素的过程中，等离子发生气体均为氩气（Ar），在分析过程中会产生大量的ArH+。由于38Ar的占比极低，38ArH+的干扰可以忽略，所以质谱分析过程中主要的干扰则是40ArH+对41K+的干扰，因此如何消除40ArH+的干扰是使用MC-ICP-MS分析K同位素的主要挑战。一直以来，各实验组均致力于降低或者消除ArH+的影响。综合现有的研究成果，主要有以下几种技术路线来实现ArH+效应的消除:① 使用低分辨模式+碰撞反应池技术组合，该技术组合一般使用比较稳定的热等离子体，同时采用一组反应气与ArH+进行反应，从而消除ArH+，进而获得比较纯粹的41K信号，早期研究中使用的IsoProbe P单聚焦质谱，分析精度一般在0.15‰附近，目前最新型号的Nu Sapphire双聚焦碰撞反应池质谱可以将K同位素的分析精度推高到0.04‰，并具有极低的上样量（纳克级），虽然对浓度匹配要求较高，但也已开发出相关的修正方法（Li Weiqiang et al.，2016; Wang Kun and Jacobson，2016a; Ku and Jacobson，2020; Chen Heng et al.，2021; Moynier et al.，2021; Li Wenjun et al.，2022; Zheng Xinyuan et al.，2022）; ② 使用高分辨模式+冷等离子体技术，该技术组合利用冷等离子体显著降低ArH+产率，再使用高分辨狭缝，识别出40ArH+与41K+之间微小的质量差，从而在无ArH+干扰的真41K+信号区段进行测量，由于等离子温度较低，该技术组合对于基体的耐受力相对于热等离子体略差一些，同时由于40ArH+与41K+质量差过小导致其测试区段很窄（一般M/Z＜0.002），因此对磁场、仪器状态稳定性要求很高（Hu Yan et al.，2018; Morgan et al.，2018; Li Xiaoqiang et al.，2020; Gu Haiou et al.，2021; Huang Chao et al.，2021; Hobin et al.，2021）; ③ 采用高分辨模式+热等离子体技术，该组合主要得益于新型仪器（如Nu1700、ThermoFisher NeomaTM以及Neptune XT）相比于广泛装机的Thermo Fisher Neptune（Plus）或者Nu Plasma系列（RP最高约11000）质量分辨率（RP）的提高（RP可以高于14000甚至更高），使得真41K+信号区段更加稳定，同时热等离子体下，电离稳定性和基体耐受力会显著提高（An Shichao et al.，2022; Télouk et al.，2022）; ④ 采用低分辨率模式+冷等离子技术，该组合主要思路是利用冷等离子显著降低ArH+产率后，在极低的ArH+/41K+下，通过数学扣除记录的ArH+，从而获得真实的41K+信号强度，该技术组合一定程度上可以克服高分辨模式仪器稳定性要求高的技术难题，同时浓度匹配要求也不高，提高测试效率（Gu Haiou and Sun He，2021）。图1总结了2016年以来各种技术路线的测试精度的演化，可以看出，目前为止，尽管四种技术路线均具有一定的优缺点，但是都能够获取高精度的K同位素数据（2SD＜0.1‰），其中国内就有四家科研院所可以获得高精度的K同位素数据（分别是中国地质大学（北京）、合肥工业大学、南京大学以及中国科学院地质与地球物理研究所）。可以看出，在目前的技术条件下，K同位素数据的获取基本上不存在困难。
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与多数稳定同位素类似，K同位素的表示方法也采用δ值来表示，具体公式如下:。目前K同位素主要用NIST SRM 3141a来作为标准样品，早期文献中也有采用Merck公司的Suprapur 99.995%纯度硝酸钾作为标准样品或NIST SRM 999b作为标准（Li Weiqiang et al.，2016; Wang Kun and Jacobsen，2016a; Morgan et al.，2018），后续的研究表明，这些标准和NIST SRM 3141a具有几乎完全一致的K同位素组成（Chen Heng et al.，2019）。此外，还有少部分文献采用整体硅酸盐地球（BSE）或百慕大海水（BSW）当作参考标样来表示测试数据的同位素组成（Parendo et al.，2017; Ramos et al.，2018），根据目前发表的数据，各种标准表达的K同位素组成可以用下面的换算关系进行粗略换算:δ41KSRM 999b=41KSRM 3141a=δ41KSuprapur=δ41KBSE-0.54=δ41KBSW+0.03。
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图1 四种技术路线的钾同位素分析精度
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Fig.1 The analytical precisions for K isotopic measurement using different techniques
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数据来源:Li Weiqiang et al.，2016; Wang Kun and Jacobson，2016a; Hu Yan et al.，2018; Morgan et al.，2018; Ku and Jacobson，2020; Li Xiaoqiang et al.，2020; Chen Heng et al.，2021; Gu Haiou et al.，2021; Gu Haiou and Sun He，2021; Huang Chao et al.，2021; Hobin et al.，2021; Moynier et al.，2021; An Shichao et al.，2022; Télouk et al.，2022; Li Wenjun et al.，2022; Zheng Xinyuan et al.，2022; 图中LR和HR分别代表低分辨和高分辨技术，HP和CP分别代表热等离子体和冷等离子技术
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Data sources: Li Weiqiang et al., 2016; Wang Kun and Jacobson, 2016a; Hu Yan et al., 2018; Morgan et al., 2018; Ku and Jacobson, 2020; Li Xiaoqiang et al., 2020; Chen Heng et al., 2021; Gu Haiou et al., 2021; Gu Haiou and Sun He, 2021; Huang Chao et al., 2021; Hobin et al., 2021; Moynier et al., 2021; An Shichao et al., 2022; Télouk et al., 2022; Li Wenjun et al., 2022; Zheng Xinyuan et al., 2022; LR and HR represent low resolution and high solution, HP and CP represent hot plasma and cold plasma, respectively
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2 钾同位素地球化学
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2.1 地球主要储库的K同位素组成
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地球K的主要储库包括水圈、地幔、大陆地壳以及洋壳，各主要储库的K浓度和占比见表1。其中水圈主要包括河流水和海水。对全球不同地区的海水的K同位素组成测量结果表明海水具有高度均一的K同位素组成（Li Weiqiang et al.，2016; Wang Kun and Jacobsen，2016a; Hu Yan et al.，2018; Morgan et al.，2018; Hille et al.，2019; Xu Yingkui et al.，2019; Wang Kun et al.，2020），其δ41K值范围为0.02‰~0.19‰，变化不足0.2‰，平均值为0.11‰±0.08‰（2SD，下同），这主要由于海水中K的居留时间较长（＞5 Ma），在海水中K已经达到了充分混合并达到同位素均一。与海水相比，河流水的δ41K变化范围较大（超过0.7‰），为-0.59‰~0.12‰（Li Shilei et al.，2014; Teng Fang-Zhen et al.，2020; Wang Kun et al.，2021b），平均值为-0.29‰± 0.34‰，这一组成远远低于海水的平均K同位素组成（相关数据统计整理于图2）。目前的研究结果表明，河流水的K同位素组成主要受控于流经流域的风化强度，风化强度不同导致风化产物中的黏土产率不同，从而导致河流水的K同位素变化（Teng Fang-Zhen et al.，2020; Wang Kun et al.，2021b）。
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注:各储库的质量浓度、K质量浓度数据来自Yoder，1995; Schubert et al.，2001; Peterson and DePaolo，2007; Rudnick and Gao Shan，2003; White and Klein，2014; Wang Kun et al.，2021a; “-”代表目前尚未有足够数据。
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图2 水圈（包括河流水和海水）的K同位素组成
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Fig.2 Potassium isotopic compositions of hydrosphere (including river water and seawater)
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钾是大陆地壳主要元素之一，其在上、中、下地壳的含量分别为2.80%、2.30%和0.91%（K2O%），大陆地壳共占K储库的30%。大陆地壳K同位素组成的研究一方面是开展中-酸性岩浆分异过程以及低温地表风化过程中K同位素的分馏行为研究的基线，也是K同位素全球质量平衡计算的必要参数。目前为止，针对大陆地壳的K同位素的研究结果主要集中在上地壳，对于深部大陆地壳尚未有代表性样品的数据报道。上地壳的代表性样品主要有花岗岩、黄土以及页岩、杂砂岩等沉积岩类（Huang Tianyi et al.，2020）。总体上，上地壳的代表性岩石均有不均一的K同位素组成，且变化范围较大。其中花岗岩的δ41K范围为-0.61‰~-0.36‰（均值-0.46‰±0.14‰），黄土样品的δ41K范围为-0.47‰~-0.35‰（均值-0.42‰±0.07‰），沉积岩的范围最大，为-0.68‰~-0.09‰（均值-0.45‰±0.32‰）。根据各类岩石的K2O含量和在地壳中的组成比例，上地壳的加权平均δ41K值为-0.44‰±0.05‰（相关数据中统计整理于图3），这与目前全硅酸盐地球（BSE）估算值一致。洋壳中K2O含量较低，在全球K份额也仅为0.3%（Wang Kun et al.，2021a），目前针对新鲜洋中脊玄武岩（MORB）、洋岛玄武岩（OIB）以及弧后玄武岩（BAAB）的数据显示了均一的K同位素组成（均值-0.40‰±0.20‰，相关数据中统计整理于图4），也与BSE的估计值一致，表明高温玄武质岩浆过程中K同位素分馏有限（Tuller-Ross et al.，2019）。
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尽管地幔中的K含量很低（平均K的质量浓度仅为191×10-6），但由于地幔质量巨大，地幔K占全球K能达到约70%，因此，地幔是全地球最大的K储库。然而由于地幔样品（如橄榄岩包体）的K含量特别低，因此目前的实测数据很少。随着分析技术的提高，已经可以对低K样品开展K同位素分析，为保证回收足够K用于质谱分析，需要较高的称样量（如600 mg），采用大容量离子交换柱进行淋洗，并采用重复淋洗以进一步降低杂质元素的干扰（Ionov and Wang Kun，2021）。之前一直采用地幔部分熔融产物（如MORB、OIB以及BAAB）的δ41K值来推测地幔的δ41K值。MORB、OIB以及BAAB来自于不同的地幔源区，这三类地幔玄武岩的K同位素组成并无系统差异，均值为-0.40‰±0.20‰（相关数据中统计整理于图4），同时高温岩浆分异过程中K同位素的分馏有限，进而推测地幔的K同位素组成与新鲜玄武岩类似（Tuller-Ross et al.，2019）。最近，Ionov and Wang Kun（2021）对岩石圈地幔橄榄岩开展了研究，其结果显示新鲜地幔橄榄岩的K同位素组成变化范围与新鲜玄武岩相当，而受交代地幔的K同位素组成变化范围非常大（-2.77‰~0.62‰），这一变化目前主要使用再循环地壳物质或者动力学过程来解释。
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图3 上地壳主要岩石类别的K同位素组成
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Fig.3 Potassium isotopic compositions of up continental crust rocks
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总得说来，综合目前对各储库的研究结果，海水的K同位素组成显著重于硅酸盐地球的K同位素组成，这一特征表明在低温过程中K同位素发生了显著分馏，目前造成这一显著差异的机制、机理和过程还在激烈讨论中（Hu Yan et al.，2020; Wang Kun et al.，2021b）。
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2.2 主要地质过程中的K同位素分馏
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低温地质过程中，以大陆风化过程和洋壳蚀变过程的研究范例最多。厘清大陆风化过程的K同位素行为是能否使用K同位素示踪风化过程的基础。目前针对典型风化剖面（包括玄武岩剖面、辉绿岩剖面、花岗岩剖面）的研究结果显示，风化壳一般富集轻的同位素，而与之平衡的水体富集重的同位素，这与黏土的形成有直接关系，因为黏土（如伊利石、高岭土等）富集轻K同位素（Chen Heng et al.，2020; Teng Fang-Zhen et al.，2020）。尽管这一过程中大陆径流的K同位素组成会高于BSE，但其K含量较低，在考虑大陆径流流量后，在目前的海水盒子模型下还是无法显著升高海水的K同位素（Wang Kun et al.，2021）。同时，尽管低温蚀变洋壳样品平均K同位素组成与BSE差别很小（整体略有升高），但由于其相比于海水具有轻的同位素组成，在蚀变过程中会从海水中去除部分轻K，因此目前猜测洋壳蚀变过程可能是提升海水的δ41K值的重要过程（Hu Yan et al.，2020; Liu Haiyang et al.，2021a; Wang Kun et al.，2021b）。
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图4 洋壳玄武岩的K同位素组成
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Fig.4 Potassium isotopic compositions of oceanic crust
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高温地质过程中，由于温度越高，各相间的零点能差异越小，因此同位素分馏越小。针对矿物间高温分馏的研究，目前有两个方向，其一是通过第一性原理计算和预测各含钾矿物间的分馏系数（Li Yonghui et al.，2019a，2019b; Zeng Hao et al.，2019），另外的研究就是通过自然样品观察矿物间的分馏（Kuhnel et al.，2021）。理论计算的结果表明，高温条件下，各种主要含钾矿物间的分馏系数都比较小（如1000 K下，云母-微斜长石间K同位素分馏仅为0.06‰），这也表明在当前的测试精度（~0.10‰）下，高温岩浆演化和结晶分异过程中的K同位素分馏会比较难探测到; 然而，自然观察结果却显示斜长石与其他主要含钾矿物间可以存在较大的分馏（最高可达1.07‰; Kuhnel et al.，2021），观察的分馏与理论估计的分馏方向比较一致，但尺度要大2~3倍，因此推断这一观察到分馏很可能是未达到同位素平衡。目前的研究结果显示岩浆分异过程中的K同位素分馏很有限，这也与上述的理论计算预测相一致，主要研究证据包括针对海克拉火山从玄武质火山岩到流纹质火山岩（SiO2为46%~72%）和夏威夷Kilauea Iki熔岩湖（以玄武质火山岩为主，SiO2为43%~57%）的研究（Tuller-Ross et al.，2019; Hu Yan et al.，2021b）。这两个火山岩系列的研究结果都显示了高度统一的K同位素组成（δ41K平均值-0.44‰±0.09‰），相关学者据此估计了全硅酸盐地球的平均δ41K值（Tuller-Ross et al.，2019; Hu Yan et al.，2021b）。
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3 深部过程中的钾同位素示踪
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同位素示踪主要有示踪源区和示踪过程两个主要目的。从目前的研究成果看，除风化强度示踪外，K同位素在应用上最具有潜力的方向可能就是深部再循环俯冲物质的示踪。其示踪原理基于以下三点假设:① 俯冲携带物质的K同位素组成与初始地幔源区的K同位素组成具有显著差异; ② 浅层物质进入地幔源区的变质过程中，K同位素不发生显著的同位素分馏; ③ 高温岩浆过程中，K同位素不发生显著分馏。其中，高温岩浆过程中的K同位素不显著分馏已经得到了理论计算和自然观察上很好的验证（Li Yonghui et al.，2019a; Tuller-Ross et al.，2019; Zeng Hao et al.，2019; Hu Yan et al.，2021b）。尽管上陆壳的平均K同位素组成与BSE相当，但其中经历风化作用的风化产物会显著富集轻的K同位素（可以低至-0.94‰; Chen Heng et al.，2020），因此，K同位素有望成为示踪上陆壳物质再循环的有效示踪剂。同样，俯冲的蚀变洋壳整体具有稍重的K同位素组成，而上覆海相沉积物则大多具有偏轻的K同位素。因此，俯冲过程会将具有不同K同位素组成的浅层物质带入地幔，这些物质与地幔相比K含量高得多（10-2 vs.10-4），因此无论是通过同化作用，还是脱水熔/流体交代地幔过程，均可以显著得改变局部地幔的K同位素组成，造成地幔K同位素的不均一性。这一预测已被Ionov and Wang Kun（2021）针对地幔橄榄岩的研究所证实。在此项工作中，新鲜的岩石圈地幔橄榄岩与玄武岩或BSE的K同位素组成相当，这一组成可以理解为地幔的基准K同位素组成，而经历交代作用的地幔橄榄岩的K同位素组成变化范围超过了3.30‰（变化范围为-2.77‰~0.62‰），其中部分样品被解释为受到循环浅部物质交代（沉积物、流体等），部分样品的变化则解释为动力学过程。
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基于这些认识与假设，利用K同位素示踪幔源岩浆的地幔源区过程已经涌现了一批成果。Hu Yan et al.（2021a）发现小安地列斯弧的部分喷发熔岩具有比初始玄武岩更轻的K同位素组成（-0.66‰~-0.37‰），并且K同位素以及放射成因同位素的二元混合计算指示这些熔岩的地幔源区被1%~5%俯冲沉积物熔体混染（Hu Yan et al.，2021a）。而对我国东北地区一套新生代玄武岩开展的K同位素研究也体现了K同位素在示踪沉积物和俯冲板片上的优势。该套玄武岩中具有从钠质到钾质的过渡变化，其中钠质玄武岩具有比BSE稍重的K同位素组成（-0.41‰~-0.15‰），而钾质玄武岩则具有轻K同位素组成特征（-0.81‰~-0.43‰），与各储库的K同位素组成、Nd同位素组成以及元素比值（Th/U、K/U等）的对比和混合模型模拟，表明钠质玄武岩的源区存在俯冲板片的混染，而钾质玄武岩的源区则主要受到沉积物的交代混染（Sun Yang et al.，2020）。因此，K同位素是一个很有效的岩浆地幔源区组成特征的示踪剂。
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钾同位素在示踪流体交代过程中也可以有一定的应用潜力（Hu Yan et al.，2021a; Liu Haiyang et al.，2021b）。尽管目前没有明确的直接观察确定俯冲过程中脱出流体的K同位素组成，但从目前发表的针对西藏地区松多榴辉岩的观察可以推测，达到榴辉岩相的条件下，榴辉岩具有极低的δ41K值，因此俯冲物质析出的流体可能是富集重的K同位素（Liu Haiyang et al.，2020）。流体交代的地幔源区很可能具有重的K同位素组成。Hu Yan et al.（2021a）的研究实例中，小安地列斯弧少部分样品的高δ41K特征及其与U/K以及Th/Nd的正相关关系，被归因于板片流体对地幔源区的交代。同样，秦岭幔源超钾质岩石中高δ41K（可以高达-0.06‰）特征目前也被解释为壳幔相互作用中受流体交代所致（Liu Haiyang et al.，2021b）。同时，俯冲带橄榄岩特别高的δ41K（0.40‰~0.62‰）也很可能是由于俯冲带流体交代地幔楔的热力学或动力学过程导致（Ionov and Wang Kun，2021）。
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综上，由于浅部物质的K含量远高于地幔源区，在俯冲循环过程中，地幔源区的K同位素组成对于交代、混染等过程比较敏感。因此，K同位素在示踪地幔组成变化方面可能会具有广阔的应用前景。
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4 结语与展望
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钾同位素地球化学从2016年再次兴起后，短短六年间发展迅速，在很多方面取得了突破性进展，特别是显示出其在示踪俯冲再循环物质、地幔交代过程等方面鲜明的优势。然而，今后的高温K同位素地球化学仍需要进一步深入研究:① 进一步健全不同储库的K同位素组成数据库，进而建立不同储库间的K同位素组成的质量平衡计算，这主要包括下地壳直接样品的K同位素组成的观测以及特别是加强各类地幔源区的K同位素调查，揭示地幔K同位素不均一性的尺度、幅度以及机制和成因，这是K同位素示踪的基线和基础。② 变质过程中的同位素分馏行为和机理影响着K同位素作为俯冲物质循环示踪剂的潜力，因此需要明确地认识K同位素在俯冲变质过程中的同位素行为。目前对变质过程中的K同位素分馏行为认识仍不足，针对榴辉岩的研究仅仅探讨了高级变质过程，而对不同原岩、不同变质温度和压力中的脱水过程K同位素分馏行为尚未认知，有待深入研究。③ 目前针对海克拉火山以及夏威夷Kilauea Iki熔岩湖的K同位素地球化学研究主要认识到高温岩浆分异过程中的同位素分馏行为，而针对部分熔融过程中K同位素分馏行为认识尚不足; 此外，海克拉火山以及夏威夷Kilauea Iki熔岩湖的样品均未经过大量的斜长石分异，因此大量的斜长石分异是否会导致显著的K同位素分馏，也有待针对高Si岩浆岩（如淡色花岗岩、高分异花岗岩）的研究揭示。④ 积极开拓K同位素的地球化学示踪应用，同时积极开展多同位素联合示踪（如Mg-K、Li-K同位素联合示踪）。
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参考文献
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摘要
钾(K)是主要造岩元素之一,高水溶性,高活动性,同时具有高度的不相容性。尽管K同位素组成的测试始于20世纪初,但其高精度测试一直发展缓慢,直到近年来得益于多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的快速发展, K同位素的分析精度得到显著提升,极大地促进了K同位素地球化学的发展。目前已经基本查明地球各主要储库的K同位素组成,并对一些地质和物理化学过程中的K同位素分馏开展了研究工作。研究结果表明海水的K同位素组成(均值0.11‰±0.08‰)显著高于硅酸盐地球的K同位素组成(估计值-0.44‰±0.04‰);而主要地质过程中,低温风化过程中风化壳一般富集轻的同位素,而与之平衡的水体富集重的同位素;高温岩浆分异过程中目前尚未观察到显著的同位素分馏。目前K同位素已经被广泛应用于俯冲循环地壳物质或板片流体活动的示踪上,如幔源岩浆的地幔源区过程示踪等。由于浅部物质的K含量远高于地幔源区,在俯冲循环过程中,地幔源区的K同位素组成对于交代、混染等过程比较敏感。因此,K同位素在示踪地幔组成变化方面可能会具有广阔的应用前景。
Abstract
As a major rock-forming and highly incompatible element, potassium (K) is highly water-soluble and highly mobile. In recent years, the rapid development of multi-collector inductively coupled plasma-mass spectrometry (MC-ICP-MS) has greatly promoted the development of K isotopes due to the breakthrough of high precision K isotopic measurement. Till now, the K isotopic compositions of the major terrestrial reservoirs have been investigated, and behaviors of K isotopes during some geological and physicochemical processes have been studies. The results indicated that the K isotopic composition of seawater (averaging in 0.11‰±0.08‰) is obviously heavier than bulk silicate earth (BSE, estimated in -0.44‰±0.04‰). Large K isotopic fractionation occurs during continental weathering with light K isotopes retained in the weathered products and heavy K isotopes released into the water. And the fractionation during magmatic differentiation is limited. K isotopes have been used to trace the subducted crustal material in the mantle source of mantle-derive magmas. Since the K content of crustal materials is much larger than that of the mantle, K isotope is very sensitive to the metasomatism or assimilation processes in the mantle during the subduction processes. Thus, it is believed that K isotope would open new horizons to crust-mantle processes.
