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最近，中國(guó)科大地空學(xué)院陳伊翔教授研究組在利用電氣石硼同位素示蹤俯沖帶流體來(lái)源和性質(zhì)方面取得新進(jìn)展。他們?cè)谌虻湫偷拇箨懜_帶中發(fā)現(xiàn)了地幔楔蛇紋巖來(lái)源流體反向交代深俯沖陸殼的地球化學(xué)證據(jù)，制約了從大洋俯沖到大陸碰撞過(guò)程中的殼源流體交代地幔和幔源流體交代地殼這兩類殼幔相互作用。相關(guān)成果發(fā)表在2022年1月25日出版的國(guó)際地球化學(xué)知名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。

俯沖帶流體是地球地殼和地幔之間元素遷移和物質(zhì)循環(huán)的核心載體。解譯流體來(lái)源、性質(zhì)以及流體活動(dòng)特征對(duì)理解殼幔相互作用、制約地球深部系統(tǒng)長(zhǎng)期演化等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題具有重要意義。一般來(lái)說(shuō)，俯沖板片析出流體交代上覆地幔楔，在弧下深度形成島弧型玄武巖漿源區(qū)，在后弧深度形成洋島型玄武巖漿源區(qū)。不過(guò)，俯沖板片可以在弧前深度就析出流體交代地幔楔形成蛇紋石化橄欖巖，板片繼續(xù)俯沖可將蛇紋石帶到弧下深度后再發(fā)生分解，所析出的流體一方面正向交代地幔楔形成高鎂玄武巖漿的源區(qū)，另一方面反向交代俯沖地殼巖石本身。識(shí)別正向交代與反向交代過(guò)程中蛇紋巖來(lái)源流體的貢獻(xiàn)已經(jīng)成為俯沖帶研究的新前沿。

由于俯沖大洋地殼在進(jìn)入地幔深度后難以折返回到地表，因此人們難以在大洋俯沖帶發(fā)現(xiàn)超高壓變質(zhì)巖來(lái)研究反向交代作用。不過(guò)，在大陸俯沖帶出露有超高壓變質(zhì)巖，其中有的就記錄了這種反向交代作用。歐洲西阿爾卑斯造山帶Dora-Maira地體出露有曾經(jīng)俯沖到地幔深度經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用的白片巖。陳伊翔研究組的前期研究表明，這些超高壓白片巖石經(jīng)歷了正向和反向交代作用，是研究這些過(guò)程的良好載體(Chen et al. 2016-EPSL, 2017-Chem. Geol., 2019-GCA; Xiong et al., 2021-GCA)。

對(duì)俯沖帶流體性質(zhì)和來(lái)源的區(qū)分涉及從巖石學(xué)和地球化學(xué)兩個(gè)方面的理論和方法，有關(guān)雙向交代作用的鑒定已經(jīng)成為俯沖帶流體地球化學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。為了深化這個(gè)研究，陳伊翔研究組與德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)(Ruhr University Bochum)Hans-Peter Schertl研究員、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)趙葵東教授等合作，繼續(xù)以西阿爾卑斯造山帶Dora-Maira地體中白片巖/云母片巖及其圍巖變花崗巖為對(duì)象，在先前研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地選取了薄片中電氣石進(jìn)行原位微區(qū)硼同位素分析。

在研究思路上，陳伊翔研究組的主要考慮是：(1)由于俯沖帶中硼元素和硼同位素的特性，它不僅可以有效區(qū)分大陸、大洋板片來(lái)源流體，還可以有效識(shí)別大洋板片不同組分來(lái)源流體；(2)電氣石是一種極其富硼的礦物，是巖石中硼的主要賦存礦物，便于利用激光剝蝕手段進(jìn)行精確的原位微區(qū)硼同位素分析，進(jìn)而揭示俯沖帶流體活動(dòng)的關(guān)鍵信息。盡管大陸俯沖帶中超高壓變質(zhì)巖經(jīng)歷了多期變質(zhì)疊加和復(fù)雜的構(gòu)造演化過(guò)程，電氣石硼同位素仍有望揭開(kāi)雙向流體交代過(guò)程的神秘面紗。

陳伊翔團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明：(1)白片巖/云母片巖中電氣石(Tur-S)具有世界上最高的XMg值[Mg/(Mg+Fe)摩爾比]，以及比圍巖變花崗巖中電氣石(Tur-G)顯著升高的δ11B值(圖1)，指示Tur-S是流體交代形成；(2)根據(jù)地球上常見(jiàn)富硼儲(chǔ)庫(kù)的硼同位素組成以及俯沖帶硼同位素分餾行為的數(shù)值模擬，揭示了交代流體不可能來(lái)自陸殼，也不可能來(lái)自俯沖板片中沉積物和蝕變洋殼，而是來(lái)自于蛇紋巖；(3)結(jié)合前人的巖石地球化學(xué)工作，揭示出這種蛇紋巖來(lái)自地幔楔而非俯沖板片(圖2)。這個(gè)結(jié)論也與該團(tuán)隊(duì)先前針對(duì)白片巖的Mg-Fe同位素研究結(jié)果一致。

圖1變花崗巖和片巖中兩類電氣石Tur-G(紅色)和Tur-S(綠色)的XMg和δ11B值

圖2不同深度地幔楔硼同位素組成的數(shù)值模擬結(jié)果

陳伊翔團(tuán)隊(duì)的研究成果揭示，電氣石的原位硼同位素分析是識(shí)別俯沖帶深部流體來(lái)源和性質(zhì)的有效工具。對(duì)一些地球上典型的大陸碰撞造山帶，盡管從地質(zhì)組成和巖石特征上很難識(shí)別先前大洋板片俯沖的貢獻(xiàn)，但是通過(guò)一些特征性元素的同位素(如硼同位素)分析可以穿云撥霧，揭示出大洋俯沖過(guò)程中的殼源流體交代地幔到大陸碰撞過(guò)程中的幔源流體交代地殼這兩類殼幔相互作用。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)前期一系列工作，該成果進(jìn)一步查明了西阿爾卑斯造山帶Dora-Maira地體白片巖的原巖屬性、流體交代和構(gòu)造演化過(guò)程，改變了教科書(shū)中關(guān)于該類巖石成因的流行認(rèn)識(shí)。

這項(xiàng)工作受到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。中國(guó)科大地球化學(xué)和行星科學(xué)系博士研究生熊家偉為論文的第一作者，陳伊翔教授為通訊作者。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703722000126

（地空學(xué)院、中科院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科研部）