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郭順等-GCA:俯沖帶重硼同位素循環
2019-09-11 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  硼是一個具有中等揮發性、質量較輕的親石元素,在熔/流體活動中容易發生遷移。硼有兩個穩定同位素(10B11B),二者之間較大的質量差(~10%)導致地球上不同端元之間硼同位素差異明顯。因此,硼及其同位素對探究熔/流體參與的地質過程和物質循環具有重要意義。目前,大量學者對地球表生環境和相關過程(如地殼風化和土壤形成、海洋/湖泊蒸發和沉積、動/植物發育等)中硼的地球化學行為進行了深入研究。然而,對于地球深部過程中硼的遷移和同位素收支平衡尚缺乏足夠的認識。 

  俯沖帶是連接地球表生圈層和深部圈層的關鍵紐帶。研究表明,島弧及弧下交代地幔楔相對于虧損地幔(B < 0.1 μg/g; δ11B = -7.1‰)具有明顯更高的硼含量(1.3~37 μg/g)和δ11B值(-5‰~+15 ‰),指示大洋俯沖板片釋放的流體攜帶大量重硼同位素進入地幔楔和弧巖漿。由于海水明顯富集具有較高的硼含量(~4.5 μg/g)和重硼同位素組成(δ11B = ~+40%),因此,經歷洋底蝕變的洋殼和蛇紋巖化巖石圈地幔被認為是大洋俯沖板片中高δ11B流體的主要源區。相反,大陸俯沖板片主要由大陸表殼巖石和沉積物組成,具有輕硼同位素組成(平均δ11B = -9.1%)。傳統觀點認為大陸俯沖帶發育的熔/流體應具有較低的δ11B值。然而,近年來的新證據表明俯沖大陸地殼同樣可發育一些富集11B的流體。因此,有關高δ11B流體的來源和成因機制仍是俯沖帶研究的一個未解之謎。 

  含水礦物電氣石是地殼中硼的主要載體,具有緩慢的體擴散速率,并可以在超高壓條件下穩定。因此,含電氣石的超高壓巖石為理解俯沖帶含硼流體活動提供了一個重要窗口。中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室郭順副研究員及合作者在大別超高壓變質帶(形成于大陸深俯沖過程)白羊嶺地區首次發現富含電氣石的榴輝巖和脈體(圖1)。這些巖石產出于不純大理巖中。巖石學和地球化學研究表明,榴輝巖和脈體中電氣石由圍巖不純大理巖在2.2~2.6 GPa/610~660℃條件下釋放的富硼流體交代形成。質量平衡計算發現交代過程導致大量的硼、碳和大離子親石元素從大理巖移出進入榴輝巖體系。原位分析顯示單顆粒電氣石具有均一且高的δ11B值(可達+15‰,圖2),表明俯沖碳酸鹽巖釋放的變質流體顯著富集11B,同時也說明俯沖帶流體交代過程和結晶過程不引起硼同位素分餾。模擬計算顯示流體中硼含量達700 μg/g(為虧損地幔楔至少7000倍),可顯著影響俯沖帶硼循環。 

1  a.含電氣石榴輝巖和脈體樣品;b.含電氣石榴輝巖的顯微照片 

2  研究樣品與地球上重要硼儲庫及其中電氣石(Tur)的硼同位素對比 

  此項工作的意義在于: 

  1)在全球最大的超高壓變質帶首次發現電氣石榴輝巖,對于厘清該地區超高壓巖石種類非常重要。該樣品也是首例產出于大理巖中的電氣石榴輝巖; 

  2)證明變質碳酸鹽巖(不純大理巖)是俯沖板片中一個重要的重硼同位素儲庫。其在匯聚板塊邊界的脫硼和再循環過程可顯著改變地幔楔及衍生巖漿的硼含量和同位素組成(圖3)。特別是在大陸俯沖帶,變質碳酸鹽巖可能是俯沖板片中已知的唯一重硼同位素儲庫; 

  3)由于大理巖既是碳儲庫也是(重)硼儲庫,本研究也為理解俯沖帶碳硼協同演化及火成碳酸巖(普遍富集重硼)和藍色金剛石(硼致藍色)成因提供新的視角。 

3  示意圖顯示俯沖變質碳酸鹽巖釋放富硼流體的過程和富含電氣石榴輝巖和脈體的形成

  研究成果發表在于Geochimica et Cosmochimica Acta。(Guo S*, Zhao K D, John T, Tang P, Chen Y, Su B. Metasomatic flow of metacarbonate-derived fluids carrying isotopically heavy boron in continental subduction zones: Insights from tourmaline-bearing ultra-high pressure eclogites and veins (Dabie terrane, eastern China)[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 253: 159-200. DOI: 10.1016/j.gca.2019.03.013)(原文鏈接
 
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