Nature：利用熔融包裹體的元素和同位素示蹤俯沖帶流體來(lái)源

在匯聚板塊邊緣，大洋巖石圈通過(guò)俯沖作用攜帶揮發(fā)分(尤其是水)進(jìn)入地幔。這些俯沖下去的水/流體控制著巖漿產(chǎn)物、地震活動(dòng)、陸殼形成和資源成礦。但是，識(shí)別不同流體的來(lái)源(沉積物，地殼還是巖石圈地幔)具有很大的挑戰(zhàn)性(Hacker, 2008; Cooper et al., 2020)。

大西洋俯沖帶是研究深部流體循環(huán)的絕佳區(qū)域，因?yàn)榫徛龜U(kuò)張形成的大西洋巖石圈水化作用高度不均一，可能受到了俯沖板片不同端元流體(如沉積物、蝕變洋殼、蛇紋石化巖石圈地幔)的交代。流體來(lái)源和流體量的差異會(huì)引起受交代巖石圈地幔性質(zhì)的不均一，從而沿島弧會(huì)產(chǎn)出不同性質(zhì)的巖漿。英國(guó)布里斯托大學(xué)Cooper et al.(2020)選取大西洋俯沖帶小安第列斯火山島弧(LAA，Lesser Antilles volcanic arc)為研究對(duì)象，嘗試?yán)脥u弧火山巖中熔融包裹體的B(硼)元素含量和B同位素組成識(shí)別俯沖帶流體來(lái)源。

為什么用熔融包裹體的B元素？B是流體活動(dòng)性元素，由于俯沖板片的各個(gè)端元中B含量顯著高于虧損地幔(<0.1ppm)，因此島弧巖漿一旦具有高的B與流體難溶元素(如Ti，Ni，Zr)比值，則表明B主要來(lái)自于俯沖的板片流體。因此，俯沖帶巖漿中B元素可以示蹤俯沖板片釋放流體的貢獻(xiàn)。同時(shí)，俯沖板片中不同端元的流體B同位素組成具有顯著差別。蛇紋石來(lái)源的B富集¹¹B(相對(duì)于¹⁰B)，所以具有特別高的δ¹¹B值(從+7‰到+20‰)(De Hoog and Savov, 2018)。由蛇紋石來(lái)源的流體誘發(fā)的地幔熔融產(chǎn)生的弧巖漿δ¹¹B高達(dá)18‰，明顯比MORB地幔源區(qū)的δ¹¹B值(-7.1‰±0.9‰)更高。小安第列斯俯沖沉積物來(lái)源的流體雖然富集B元素(50–160ppm)，但它們與弧下蛇紋石來(lái)源流體相比明顯具有更低的δ¹¹B值(約-15‰到+5‰)。再有，島弧巖漿在淺部地殼會(huì)經(jīng)歷一定程度的巖漿分異，都不再是原始成分，但是B同位素特征主要由源區(qū)決定而不是分異過(guò)程。

Cooper等(2020)利用SIMS(于英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)完成，儀器為離子探針Cameca IMS-1270)測(cè)試了島弧火山巖(巖性從低MgO高Al玄武巖到流紋巖)單斜輝石中198個(gè)玻璃質(zhì)熔融包裹體的揮發(fā)分(H₂O、CO₂)和微量元素，并對(duì)其中92個(gè)熔融包裹體進(jìn)一步測(cè)試了B同位素組成。

分析結(jié)果顯示，LAA熔融包裹體中溶解的水含量最高可達(dá)9.1wt%，但各個(gè)島的水含量值的變化范圍都較大(圖1)。熔融包裹體的水含量易受巖漿分異過(guò)程影響，很難代表原始巖漿的水含量。水含量在經(jīng)歷不飽和結(jié)晶的熔體中會(huì)升高，在水飽和的情況下會(huì)保持恒定，而在晚期去氣過(guò)程中會(huì)從熔體中丟失。捕獲后結(jié)晶或者熔體擴(kuò)散也會(huì)改造熔融包裹體中的水含量。而流體活動(dòng)性和不活動(dòng)性微量元素之間的比值，如B/Nb，能夠可靠地指示流體的貢獻(xiàn)，因?yàn)檫@兩類元素在熔融和巖漿分異過(guò)程中行為相似。LAA熔融包裹體數(shù)據(jù)表明中心島弧具有高的B/Nb(圖1)，很可能反應(yīng)了其來(lái)源于特別富流體和富B的巖漿源區(qū)。

圖1 小安第列斯火山島弧的等深線圖以及與之對(duì)應(yīng)的熔融包裹體的水含量，B/Nb比值和δ¹¹B值分布圖(Cooper et al., 2020)。H₂O含量和B/Nb比值圖中不同圖標(biāo)顏色代表了熔融包裹體SiO₂的含量值大小(反應(yīng)巖漿分異)。δ¹¹B值圖中的不同圖標(biāo)顏色代表了B/Nb比值大小(指示流體加入量)。已發(fā)表的熔融包裹體B同位素比值以交叉十字符號(hào)表示。δ¹¹B值誤差線為1σ，一般小于±1‰

該研究獲得的LAA熔融包裹體的δ¹¹B值范圍為-2.8‰–+11.2‰(圖1)，大部分值分布在全球弧巖漿的范圍內(nèi)(從-9‰到+16‰)，具有最高δ¹¹B值的熔融包裹體來(lái)自中心島弧(Guadeloupe和Dominica島)。單個(gè)島弧火山巖熔融包裹體的δ¹¹B值存在一定范圍的變化，相鄰的火山之間具有相似的主量元素特征卻顯示明顯不同的δ¹¹B值，造成該現(xiàn)象的原因是什么？作者分析表明：(1)各火山內(nèi)部的δ¹¹B值變化不可能是地殼分異過(guò)程造成的，因?yàn)棣?sup>11B值沒(méi)有隨分異指示性元素系統(tǒng)地變化(如SiO₂和Rb/Sr)。這與前人的發(fā)現(xiàn)一致，分離結(jié)晶對(duì)熔體δ¹¹B值的影響可以忽略不計(jì)。(2)開(kāi)放體系分異過(guò)程中，地殼同化作用同樣可以改變?chǔ)?sup>11B值和B/Nb，但是這類來(lái)源的物質(zhì)很可能與蝕變洋殼和沉積物具有相似的同位素和地球化學(xué)成分。且LAA地殼的同化作用在分異過(guò)程中會(huì)降低熔體δ¹¹B值，但這樣的趨勢(shì)并未在數(shù)據(jù)中體現(xiàn)。最終，作者認(rèn)為島弧火山巖熔融包裹體δ¹¹B值的差異反應(yīng)了島弧火山之間地幔源區(qū)性質(zhì)的不同。并證實(shí)了是由兩個(gè)不同源區(qū)的流體加入引起的：(1)蝕變的洋殼和沉積物；(2)蛇紋石脫水。在LAA中部位置，熔融包裹體的δ¹¹B值明顯高于+5‰，對(duì)比現(xiàn)有可能的源區(qū)，只有流體量中>60%由蛇紋石脫水貢獻(xiàn)才能產(chǎn)生這樣的同位素特征(圖2)。南部和北部島弧低的δ¹¹B值可能主要是由于蝕變洋殼和沉積物釋放的流體導(dǎo)致的。但是，δ¹¹B值與流體加入量(據(jù)Nb/B比值，圖2)之間沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。與中心島弧的Guadeloupe和Dominica島相比，南部St Lucia熔融包裹體具有高的流體量的加入，但是估算結(jié)果表明只有<30%來(lái)自于蛇紋石。因此，流體的總量與不同流體來(lái)源所占的比例是解偶的。南部和北部火山弧，除了St Vincent島，來(lái)源于蛇紋石的流體的比例明顯低于中心島弧。那么上述蛇紋石從何處來(lái)？根據(jù)B同位素，不可能區(qū)分蛇紋巖流體源于板片還是來(lái)自循環(huán)的弧前物質(zhì)。然而，作者發(fā)現(xiàn)在中心島弧深部地震波呈現(xiàn)出峰值，可以推測(cè)是橄欖巖在板塊中發(fā)生了脫水。綜合形成于緩慢擴(kuò)張的巖石圈中的蛇紋石化橄欖巖的豐度，證實(shí)了為L(zhǎng)AA地幔楔輸送流體的蛇紋石來(lái)源于板片。

圖2 小安第列斯火山島弧巖漿中熔融包裹體的Nb/B比值與δ¹¹B值關(guān)系圖(Cooper et al., 2020)。混合模型(黑線)指示虧損地幔(DM，depleted mantle)被來(lái)自于蛇紋巖的流體和蝕變洋殼+沉積物的流體進(jìn)行不同比例地混染。粗的綠線條代表了全球蛇紋巖流體δ¹¹B值范圍。模式的輸入具體參見(jiàn)原文獻(xiàn)方法章節(jié)

本項(xiàng)研究的意義在于：(1)通過(guò)LAA工作揭示的流體活動(dòng)歷史與理論預(yù)測(cè)的俯沖板片中不同位置斷裂帶隨時(shí)間演化釋放流體的過(guò)程非常一致，闡明板片斷裂帶脫水對(duì)島弧形成的意義；(2)揭示俯沖斷裂帶中蛇紋石脫水對(duì)島弧巖漿水和元素含量及同位素特征具有主導(dǎo)性貢獻(xiàn)；(3)提供強(qiáng)有力證據(jù)證明俯沖的巖石圈地幔中蛇紋石的不均勻分布極大控制著弧下地幔楔的地球化學(xué)特征、地震活動(dòng)、地殼結(jié)構(gòu)和島弧巖漿產(chǎn)率。

【致謝：感謝巖石圈郭順副研究員對(duì)本文提出的寶貴修改意見(jiàn)】

主要參考文獻(xiàn)

Cooper G F, Macpherson C G, Blundy J D, et al. Variable water inputcontrols evolution of the Lesser Antilles volcanic arc[J]. Nature, 2020,582(7813): 525-529.

De Hoog J C M, Savov I P. Boron isotopes as a tracer of subductionzone processes[M]//Boron Isotopes. Springer, Cham, 2018: 217-247.

Hacker B R. H₂O subduction beyond arcs[J].Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(3): Q03001.

(撰稿：蔡亞春，范宏瑞/礦產(chǎn)室)

校對(duì)：李玉鈐

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的地壳中元素含量排名记忆口诀_Nature：利用熔融包裹体的元素和同位素示踪俯冲带流体来源...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。