科学家揭示俯冲带重硼同位素循环

2019 年 9 月 18 日 中科院之声

硼是一个具有中等挥发性、质量较轻的亲石元素，在熔/流体活动中容易发生迁移。硼有两个稳定同位素（¹⁰B和¹¹B），二者之间较大的质量差（～10%）导致地球上不同端元之间硼同位素差异明显。因此，硼及其同位素对探究熔/流体参与的地质过程和物质循环具有重要意义。目前，大量学者对地球表生环境和相关过程（如地壳风化和土壤形成、海洋/湖泊蒸发和沉积、动/植物发育等）中硼的地球化学行为进行了深入研究。然而，对于地球深部过程中硼的迁移和同位素收支平衡尚缺乏足够的认识。

俯冲带是连接地球表生圈层和深部圈层的关键纽带。研究表明，岛弧及弧下交代地幔楔相对于亏损地幔（B < 0.1 μg/g; δ¹¹B = -7.1‰）具有明显更高的硼含量（1.3～37 μg/g）和δ¹¹B值（-5‰～+15 ‰），指示大洋俯冲板片释放的流体携带大量重硼同位素进入地幔楔和弧岩浆。由于海水明显富集具有较高的硼含量（～4.5 μg/g）和重硼同位素组成（δ¹¹B = ～+40%），因此，经历洋底蚀变的洋壳和蛇纹岩化岩石圈地幔被认为是大洋俯冲板片中高δ11B流体的主要源区。相反，大陆俯冲板片主要由大陆表壳岩石和沉积物组成，具有轻硼同位素组成（平均δ¹¹B = -9.1%）。传统观点认为大陆俯冲带发育的熔/流体应具有较低的δ¹¹B值。然而，近年来的新证据表明俯冲大陆地壳同样可发育一些富集¹¹B的流体。因此，有关高δ¹¹B流体的来源和成因机制仍是俯冲带研究的一个未解之谜。

含水矿物电气石是地壳中硼的主要载体，具有缓慢的体扩散速率，并可以在超高压条件下稳定。因此，含电气石的超高压岩石为理解俯冲带含硼流体活动提供了一个重要窗口。中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室副研究员郭顺及合作者在大别超高压变质带（形成于大陆深俯冲过程）白羊岭地区首次发现富含电气石的榴辉岩和脉体（图1）。这些岩石产出于不纯大理岩中。岩石学和地球化学研究表明，榴辉岩和脉体中电气石由围岩不纯大理岩在2.2～2.6 GPa/610～660℃条件下释放的富硼流体交代形成。质量平衡计算发现交代过程导致大量的硼、碳和大离子亲石元素从大理岩移出进入榴辉岩体系。原位分析显示单颗粒电气石具有均一且高的δ¹¹B值（可达+15‰，图2），表明俯冲碳酸盐岩释放的变质流体显著富集¹¹B，同时也说明俯冲带流体交代过程和结晶过程不引起硼同位素分馏。模拟计算显示流体中硼含量达700 μg/g（为亏损地幔楔至少7000倍），可显著影响俯冲带硼循环。

此项工作的意义在于：

（1）在全球最大的超高压变质带首次发现电气石榴辉岩，对于厘清该地区超高压岩石种类非常重要。该样品也是首例产出于大理岩中的电气石榴辉岩。

（2）证明变质碳酸盐岩（不纯大理岩）是俯冲板片中一个重要的重硼同位素储库。其在汇聚板块边界的脱硼和再循环过程可显著改变地幔楔及衍生岩浆的硼含量和同位素组成（图3）。特别是在大陆俯冲带，变质碳酸盐岩可能是俯冲板片中已知的唯一重硼同位素储库。

（3）由于大理岩既是碳储库也是（重）硼储库，该研究也为理解俯冲带碳-硼协同演化及火成碳酸岩（普遍富集重硼）和蓝色金刚石（硼致蓝色）成因提供新的视角。

研究成果发表于Geochimica et Cosmochimica Acta。