研究亮点

王丹等-CMP：俯冲带Li和B的循环——来自昌宁-孟连缝合带榴辉岩及围岩云母片岩Li-B同位素研究

来源:地调局地质所作者:王丹，科技处发布时间:2024-04-30

　　俯冲带是物质循环最主要的场所。锂（Li）和硼（B）是流体活动元素，俯冲洋壳和沉积物发生递进变质作用，板片不断脱流体，释放Li和B，导致残余板片具有越来越轻的δ7Li和δ11B值。然而，目前发现的榴辉岩和蓝片岩具有变化的Li和B含量及同位素比值，说明这不仅仅由俯冲过程中的同位素分馏引起的，而是在递进变质或者折返过程发生了重新分配。俯冲板片Li和B的得失是否主要受控于矿物相中Li和B的变化行为？洋壳在递进变质和折返过程矿物相的元素分配行为以及相邻岩石单元之间Li和B交换作用（例如榴辉岩及其围岩共同研究）如何，是理解上述过程的关键。

图1 (A)云南地区构造划分图；(B)昌宁-孟连缝合带区域地质图

　　中国西南部的昌宁-孟连缝合带（图1）以出露不同变质P-T路径和P-T峰值条件的榴辉岩为特征（图2），该地区是研究俯冲带榴辉岩与围岩在递进变质或折返过程中Li和B元素迁移变化行为的天然实验室。针对上述科学问题，中国地质科学院地质研究所王丹副研究员和刘福来研究员以及合作者德国亥姆霍兹地学研究中心Rolf L.Romer教授和Johannes Glodny博士针对昌宁-孟连缝合带中低温和高温榴辉岩及围岩云母片岩开展了详细的矿物学化学、全岩主微量元素及Li和B的同位素工作，取得了以下主要研究成果：

（1）俯冲带榴辉岩与围岩云母片岩之间的Li元素的分配及同位素变化行为

　　榴辉岩呈透镜或块状产出于云母片岩中（图1B）。低温榴辉岩具有比MORB和AOC更高的Li含量和更轻的δ7Li值，具有与多硅白云母片岩相近的Li和δ7Li值的变化范围(8.7–27.0 ppm, –3.8 to +3.0 ‰)，表明云母片岩中的Li从片岩转移到榴辉岩中（图3）。片岩中的Li添加到低温榴辉岩中可以通过以下两种途径，即发生在递进变质作用或折返过程中。由于峰期矿物相绿辉石控制了低温榴辉岩样品Li的预算，低温榴辉岩更可能在递进变质过程中添加了来自围岩云母片岩的Li。因此，低温榴辉岩的Li记录的是进变质至峰期阶段与围岩流体交换后的Li同位素特征（图4）。

　　高温榴辉岩中绿辉石是Li的主要载体矿物，高温榴辉岩具有非常轻的δ7Li值（–13.2至–5.8‰），远低于多硅白云母片岩（图3），说明在递进变质过程中受到来自低δ7Li值流体的影响。高温榴辉岩与云母片岩具有差异的δ7Li值，也表明高温榴辉岩是在峰期变质作用过后，与云母片岩呈构造接触关系。低温和高温榴辉岩中δ7Li的差异性，反映了它们在前进变质过程中经历了不同的流体-岩石反应历史。

图2（A）昌宁-孟连缝合带榴辉岩及围岩云母片岩的P-T演化图；（B-G）榴辉岩及围岩云母片岩的显微镜下特征；（B-C）云母片岩主要由石榴石+多硅白云母+石英+钠云母+绿泥石组成；（D-E）低温榴辉岩峰期矿物组成为石榴石+绿辉石+帘石+硬柱石+蓝闪石+多硅白云母；（F-G）高温榴辉岩峰期主要由石榴石+绿辉石+蓝晶石组成。缩写：GS-绿片岩相，BS-蓝片岩相，EC-榴辉岩相，AM-角闪岩相，Amp-角闪石，Cld-硬绿泥石，Chl-绿泥石，Ep-帘石，Grt-石榴石，Gln-蓝闪石，Kfs-钾长石，Ky-蓝晶石，Lws-硬柱石，Ms-白云母，Omp-绿辉石，Pg-钠长石，Ph-多硅白云母，Pl-斜长石，Qz-石英，Rt-金红石

（2）俯冲带榴辉岩与围岩云母片岩之间的B元素的分配及同位素变化行为

　　在低温榴辉岩中，多硅白云母是B的主要赋存矿物相。其中，多硅白云母贡献了全岩B预算的68%以上。低温榴辉岩的δ11B值（–15.05至–8.05 ‰）明显低于MORB（–7.1 ‰）和AOC（+0.8 ‰）的平均值，并与云母片岩具有相似的δ11B变化范围（图3）。B与δ11B值之间没有相关性，表明在递进质过程中榴辉岩B损失不是造成轻δ11B同位素的唯一原因。相反，低温榴辉岩的B预算和同位素组成在峰期-折返过程中受到来自云母片岩的流体渗透的影响，从而也导致了榴辉岩全岩富集LILE（图4）。

　　在高温榴辉岩中，角闪石和白云母是B的主要赋存矿物相，对全岩B预算的贡献高达80%以上。由于角闪石和白云母是退变质过程中形成的矿物，因此，表明在折返过程中有额外的B添加至高温榴辉岩。高温榴辉岩与低温榴辉岩具有相似的B和δ11B变化范围，表明两类榴辉岩都在峰期-折返过程中受到来自围岩云母片岩释放流体影响，使得榴辉岩具有与之相似的轻B同位素组成（图4）。

图3 昌宁-孟连缝合带榴辉岩及围岩云母片岩的Li和B及其同位素组成图。（A）B [ppm] vs. Li [ppm]；（B）Li [ppm] vs. δ7Li；（C）B [ppm] vs. δ11B；（D）δ7Li vs. δ11B. 缩写：AOC-蚀变洋壳，CC-大陆地壳，DM-亏损地幔，MORB-大洋中脊玄武岩

（3）俯冲带Li-B的源和汇

　　俯冲带Li-B的源和汇是动态变化的，俯冲的沉积物和洋壳通过脱水/流体释放Li和B进入地幔楔是地幔Li和B的主要来源之一。云母片岩在递进变质作用过程中释放富Li和B的流体，主要有两种汇：

　　（i）进入到榴辉岩团块中。榴辉岩和云母片岩的矿物学特征和全岩Li-B同位素结果，表明榴辉岩记录了俯冲进变质过程与围岩流体交换的Li同位素特征，而榴辉岩的B同位素记录了折返过程来自围岩云母片岩释放的流体影响（图4）。

　　（ii）进入到地幔楔中。云母片岩具有高B含量和轻B同位素组成，俯冲沉积物发生脱水是地幔B的来源之一。释放的流体与地幔橄榄岩发生反应，形成含角闪石或黑云母的脉体。当交代地幔楔发生部分熔融的过程中，形成的岩浆作用会继承交代地幔的Li和B同位素的信息，轻B同位素组成的特征可以被幔源岩浆作用所继承（图4）。

图4 昌宁-孟连缝合带俯冲过程中Li和B元素及同位素变化行为（缩写见图2）

（4）榴辉岩的Li-B同位素特征是理解俯冲带流体-岩石反应历史的重要途径

　　对于已经发表的榴辉岩全岩Li-B同位素数据进行汇总，发现榴辉岩具有广泛变化的δ7Li和δ11B值，榴辉岩在俯冲过程中与周围的相互作用是影响Li和B交换的重要原因。在蛇纹岩中折返的榴辉岩具有更重的δ11B值，在片麻岩和云母片岩中折返的榴辉岩具有相对较轻的δ11B值。由于不同的矿物相形成的阶段不同，且对于Li-B元素的配分能力不同，是导致Li-B同位素在俯冲或折返的过程中发生解耦的原因（图4）。通过榴辉岩的矿物学结合Li和B同位素组成，是示踪俯冲带流体-岩石相互作用的重要途径。

　　俯冲带Li和B的循环和再分配是一个复杂的过程，受到矿物学控制和流体-岩石相互作用的影响。我们的研究结果，详细地刻画了俯冲洋壳及沉积物在递进变质及折返过程中Li-B发生重新再分配的过程，对于理解俯冲带的地球化学过程和元素循环具有重要意义。

　　研究成果发表于国际著名岩石矿物学期刊Contributions to Mineralogy and Petrology上：Dan Wang(王丹)*, Rolf L. Romer, Fulai Liu(刘福来), Johannes Glodny. 2024. The behavior of Li and B isotopes in high-T and low-T eclogites enclosed by phengite schists, Contributions to Mineralogy and Petrology, 179: 43.

　　上述研究成果获得国家自然科学基金（91855206, 40725007和42072221）和中国地质科学院地质研究所基本科研业务费（J2001和J2302）联合资助。

　　原文链接：https://doi.org/10.1007/s00410-024-02124-1