肖益林教授课题组在俯冲带Li同位素地球化学行为研究中取得重要进展

 Li同位素体系广泛应用于示踪各种地质过程。但洋壳俯冲过程中的Li同位素地球化学行为仍存在较大争议。基于该科学问题，中国科学技术大学肖益林教授课题组选取了俯冲带代表性岩石（包括：蚀变洋壳成因榴辉岩和岛弧岩石）开展了综合的地球化学和Li同位素地球化学研究，以期对俯冲带Li同位素地球化学行为提供更多的制约。相关研究成果近期分别发表于国际权威学术（Nature-Index）期刊Geochimica Cosmochimica et Acta和Journal of Geophysical Research-Solid Earth上。论文通讯作者为肖益林教授，第一作者为刘海洋博士。

蚀变洋壳经历高温高压变质可以形成榴辉岩，因此对其研究可以有效揭示俯冲变质脱水过程中的Li同位素地球化学行为。对该类岩石的研究显示榴辉岩Li浓度高于MORB，且具有较大的变化范围，与蚀变洋壳Li浓度类似，在全球已发表的HP变质岩Li浓度范围内；相比于高Li浓度和较大的变化范围，松多榴辉岩具有较轻的Li同位素组成，且变化范围较小。进一步的模拟结果表明单阶段的蚀变洋壳脱水过程无法形成榴辉岩中高Li浓度和轻Li同位素组成的特征。而沉积物分异流体与脱水残余板片的混合可以形成观察到的榴辉岩中高Li含量和轻Li同位素的特征（图1）。

图1 松多榴辉岩Li同位素特征模拟图

榴辉岩Li同位素体系研究的重要意义在于(1)揭示了俯冲低温蚀变洋壳的Li同位素特征及其地球化学行为，证明了俯冲带Li同位素体系主要受控于变质脱水和折返流体交代过程；(2)表明俯冲变质火成岩的Li同位素特征可能被俯冲的变质沉积岩所影响，因此，俯冲带岩石的Li同位素特征可能与放射成因同位素以及O同位素特征发生解耦。

俯冲带地幔楔通常经受了板片分异流体的交代，进而促发部分熔融，产生岛弧岩浆，因此详细的研究岛弧岩浆地球化学特征是揭示岛弧源区熔流体交代特征及俯冲带元素循环的有效手段。对勘察加半岛不同火山密集区岛弧岩石的综合地球化学研究表明岛弧岩石亲硫元素及相关比值（As/Ce，Sb/Ce，Pb/Ce）随着贝尼奥夫带深度增加具有逐渐降低的趋势，该趋势表明随着俯冲深度的增加，板片分异流体逐渐减少。相对于亲硫元素系统的变化特征，勘察加半岛岛弧岩石Li同位素组成变化范围较小，δ⁷Li在+1.81~+8.56‰（平均+4.18 ‰）之间，大部分与N-MORB值（+3.4±1.4‰）类似，在全球岛弧δ⁷Li变化范围内（-8.6-+10.0‰）。研究模拟了板片俯冲过程中，蚀变洋壳和蛇纹岩的脱水过程，结果显示蚀变洋壳和蛇纹岩分异流体均具有极高的Li含量和较重的Li同位素组成，表明板片分异的流体对勘察加岛弧岩浆的Li同位素体系影响有限。本研究认为由于Li元素扩散速度较快，俯冲板片的异常信号可能在地幔楔中发生了再平衡（图2）。岛弧岩石Li同位素地球化学体系的研究表明俯冲变质脱水过程中Li同位素体系可以产生显著分馏，但地幔楔过程可能存在再平衡过程，因此岛弧岩石往往具有类似于洋中脊玄武岩的Li同位素特征。

图2 勘察加半岛穿弧剖面上亲硫元素及Li同位素组成变化特征与板片脱水过程示意图

以上研究通过综合的地球化学手段，对俯冲带典型高温高压变质榴辉岩和岛弧岩石进行了Li同位素地球化学研究，进一步揭示了俯冲带水岩过程的Li同位素地球化学行为，为利用Li同位素示踪俯冲地质过程提供重要信息。以上研究为刘海洋博士（2018年毕业）学位论文的主要研究内容。

以上研究得到中国科学院战略性先导科技专项(XDB18000000)，国家自然科学基金(41673031, 41473033, 41729001)等联合资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1029/2019JB019237; https://doi.org/10.1016/j.gca.2018.12.002

(刘海洋，谭东波供稿）