朱鑫祥、刘琰、侯增谦-Geology：俯冲过程中稀土如何迁移？

　　稀土元素（REE）是现代技术发展中必不可少的关键金属元素。几乎所有的REE资源都产出于碱性杂岩体和碳酸岩岩体之中。这些岩体往往都拥有一个受俯冲作用影响所形成的富集岩浆源区，但并未直接形成于俯冲带中，而是在陆内、裂谷、同碰撞及后碰撞等环境中大量出现。前人据此提出了富REE岩体的形成模型：洋壳在俯冲过程中会脱出大量富REE的流体并交代岩石圈地幔形成富REE的岩浆源区，该源区在随后的地质事件中活化，进而形成富REE的岩体或矿床。该模型阐述了俯冲过程中，REE在壳幔间的两阶段迁移机制，然而，还存在以下关键问题尚未解决：（1）流体能否迁移REE？若是流体作用交代为何REE矿床未能直接形成于俯冲带中，而是大量形成于随后的碰撞和陆内环境之中？（2）岩石圈地幔究竟受何影响进而富集REE？

　　针对上述科学问题，中国地质科学院地质研究所朱鑫祥博士、刘琰研究员及侯增谦院士采用天然深海富REE沉积物，模拟俯冲带条件（3-4GPa， 800-1000℃）开展了高温高压实验模拟。根据实验产物的物相变化和其中REE的配分关系，结合密度计算，在俯冲条件下的REE迁移规律方面取得了以下创新性认识：

　　1、俯冲条件下富REE沉积物的物相变化及其中REE的赋存状态

　　实验结果显示：天然富REE沉积物在俯冲带条件下难以熔融（图1），主要形成榴辉岩相的混杂岩体，其中的主要矿物包括石榴石、辉石、磷灰石、云母、石英等。当实验加热至高于俯冲带条件时，沉积物形成大量熔体，但其中∑REE较低（最高为500ppm），大量的REE主要赋存于混杂岩体中的磷灰石（最高为20000ppm）和石榴石之中。

图1. 实验中富REE沉积物和各类沉积物在俯冲条件下的固相线温度汇总

　　2、富REE底辟体的形成机制

　　实验结果表明，无论熔融与否，REE元素在俯冲环境中，甚至在更高的温压条件下都趋于富集在固态的矿物相中，而并未进入熔/流体，因而原有的熔/流体迁移模型已不足以解释俯冲条件下REE的迁移机制。由此，我们着重研究榴辉岩相混杂岩体的REE迁移能力，通过对该混杂岩体的密度进行计算，并与上覆岩石圈地幔进行比较发现，俯冲带中该混杂岩体的密度总小于岩石圈地幔（图2），因此能够具有向上的浮力，满足底辟作用发生的前提条件，能够直接以固态形式携带大量REE向上覆岩石圈地幔迁移。

图2. （A）富REE沉积物的密度计算结果及（B）其与岩石圈地幔间的密度差

　　3、揭示了天然富REE沉积物从俯冲带向岩石圈地幔的迁移机制

　　基于以上结果，研究团队提出：俯冲过程中REE向岩石圈地幔的大规模迁移主要由底辟作用控制，而非熔/流体（图3）。底辟体本身难熔的特性导致其不能在俯冲带中直接形成富REE弧岩浆，而是在随后的同碰撞、后碰撞、裂谷及陆内等环境中受地质作用活化方可大量熔融。同时，由于底辟和熔流体间的形成机制差异和携带物质不同，将在俯冲过程中形成不同的富集岩浆源区（图3），进而在之后的地质事件影响下形成沿俯冲缝合带平行分布的多条成矿带。这一研究成果的提出极大的丰富和完善了REE的成矿理论，也为其他类型矿床的找矿勘查提供了有利依据。

图3. 俯冲带中REE的迁移和富集模型示意图

　　本研究得到国家自然科学基金委重大研究计划（92162216）和国家重点研发计划（2022YFF0800902）项目的联合资助，成果发表于国际权威期刊《Geology》上，第一作者为朱鑫祥博士、通讯作者为刘琰研究员：Zhu, X. X., Liu, Y., and Hou Z. Q., 2023. Massive rare earth element storage in sub-continental lithospheric mantle initiated by diapirism, not by melting. Geology.

　　原文链接: https://doi.org/10.1130/G51102.1