中国科大在利用电气石硼同位素示踪俯冲带流体活动方面取得新进展
最近，中国科大地空学院陈伊翔教授研究组在利用电气石硼同位素示踪俯冲带流体来源和性质方面取得新进展。他们在全球典型的大陆俯冲带中发现了地幔楔蛇纹岩来源流体反向交代深俯冲陆壳的地球化学证据，制约了从大洋俯冲到大陆碰撞过程中的壳源流体交代地幔和幔源流体交代地壳这两类壳幔相互作用。相关成果发表在2022年1月出版的国际地球化学权威期刊《Geochimica et CosmochimicaActa》上。
俯冲带流体是地球地壳和地幔之间元素迁移和物质循环的核心载体。解译流体来源、性质以及流体活动特征对理解壳幔相互作用、制约地球深部系统长期演化等关键科学问题具有重要意义。一般来说，俯冲板片析出流体交代上覆地幔楔，在弧下深度形成岛弧型玄武岩浆源区，在后弧深度形成洋岛型玄武岩浆源区。不过，俯冲板片可以在弧前深度就析出流体交代地幔楔形成蛇纹石化橄榄岩，板片继续俯冲可将蛇纹石带到弧下深度后再发生分解，所析出的流体一方面正向交代地幔楔形成高镁玄武岩浆的源区，另一方面反向交代俯冲地壳岩石本身。识别正向交代与反向交代过程中蛇纹岩来源流体的贡献已经成为俯冲带研究的新前沿。
由于俯冲大洋地壳在进入地幔深度后难以折返回到地表，因此人们难以在大洋俯冲带发现超高压变质岩来研究反向交代作用。不过，在大陆俯冲带出露有超高压变质岩，其中有的就记录了这种反向交代作用。欧洲西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体出露有曾经俯冲到地幔深度经历超高压变质作用的白片岩。陈伊翔研究组的前期研究表明，这些超高压白片岩石经历了正向和反向交代作用，是研究这些过程的良好载体(Chen et al. 2016-EPSL, 2017-Chem. Geol., 2019-GCA;Xiong et al., 2021-GCA)。
对俯冲带流体性质和来源的区分涉及从岩石学和地球化学两个方面的理论和方法，有关双向交代作用的鉴定已经成为俯冲带流体地球化学研究的前沿和热点。为了深化这个研究，陈伊翔研究组与德国波鸿鲁尔大学(Ruhr University Bochum)Hans-Peter Schertl研究员、中国地质大学(武汉)赵葵东教授等合作，继续以西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体中白片岩/云母片岩及其围岩变花岗岩为对象，在先前研究的基础上创造性地选取了薄片中电气石进行原位微区硼同位素分析。
在研究思路上，陈伊翔研究组的主要考虑是：(1) 由于俯冲带中硼元素和硼同位素的特性，它不仅可以有效区分大陆、大洋板片来源流体，还可以有效识别大洋板片不同组分来源流体；(2) 电气石是一种极其富硼的矿物，是岩石中硼的主要赋存矿物，便于利用激光剥蚀手段进行精确的原位微区硼同位素分析，进而揭示俯冲带流体活动的关键信息。尽管大陆俯冲带中超高压变质岩经历了多期变质叠加和复杂的构造演化过程，电气石硼同位素仍有望揭开双向流体交代过程的神秘面纱。
陈伊翔团队的研究结果表明：(1) 白片岩/云母片岩中电气石(Tur-S)具有世界上最高的XMg值[Mg/(Mg+Fe)摩尔比]，以及比围岩变花岗岩中电气石(Tur-G)显著升高的δ11B值(图1)，指示Tur-S是流体交代形成；(2) 根据地球上常见富硼储库的硼同位素组成以及俯冲带硼同位素分馏行为的数值模拟，揭示了交代流体不可能来自陆壳，也不可能来自俯冲板片中沉积物和蚀变洋壳，而是来自于蛇纹岩；(3) 结合前人的岩石地球化学工作，揭示出这种蛇纹岩来自地幔楔而非俯冲板片(图2)。这个结论也与该团队先前针对白片岩的Mg-Fe同位素研究结果一致。
图1 变花岗岩和片岩中两类电气石Tur-G(红色)和Tur-S(绿色)的XMg和δ11B值
图2 不同深度地幔楔硼同位素组成的数值模拟结果
陈伊翔团队的研究成果揭示，电气石的原位硼同位素分析是识别俯冲带深部流体来源和性质的有效工具。对一些地球上典型的大陆碰撞造山带，尽管从地质组成和岩石特征上很难识别先前大洋板片俯冲的贡献，但是通过一些特征性元素的同位素(如硼同位素)分析可以穿云拨雾，揭示出大洋俯冲过程中的壳源流体交代地幔到大陆碰撞过程中的幔源流体交代地壳这两类壳幔相互作用。结合该团队前期一系列工作，该成果进一步查明了西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体白片岩的原岩属性、流体交代和构造演化过程，改变了教科书中关于该类岩石成因的流行认识。
这项工作受到中科院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。中国科大地球化学和行星科学系博士研究生熊家伟为论文的第一作者，陈伊翔教授为通讯作者。
（中国科大地空学院、中科院壳幔物质与环境重点实验室）
论文信息：Xiong J.-W., Chen Y.-X.*, Ma H.-Z., Schertl H.-P.,Zheng Y.-F., Zhao K.-D. (2022) Tourmaline boron isotopes trace metasomatism by serpentinite-derived fluidin continental subduction zone. Geochimicaet Cosmochimica Acta, 320, 122-142.
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703722000126