Nature：利用熔融包裹體的元素和同位素示蹤俯衝帶流體來源

2020-09-16 中科院地質地球所

Nature：利用熔融包裹體的元素和同位素示蹤俯衝帶流體來源

在匯聚板塊邊緣，大洋巖石圈通過俯衝作用攜帶揮發分（尤其是水）進入地幔。這些俯衝下去的水/流體控制著巖漿產物、地震活動、陸殼形成和資源成礦。但是，識別不同流體的來源（沉積物，地殼還是巖石圈地幔）具有很大的挑戰性（Hacker, 2008; Cooper et al., 2020）。

大西洋俯衝帶是研究深部流體循環的絕佳區域，因為緩慢擴張形成的大西洋巖石圈水化作用高度不均一，可能受到了俯衝板片不同端元流體（如沉積物、蝕變洋殼、蛇紋石化巖石圈地幔）的交代。流體來源和流體量的差異會引起受交代巖石圈地幔性質的不均一，從而沿島弧會產出不同性質的巖漿。英國布裡斯託大學Cooper et al.（2020）選取大西洋俯衝帶小安第列斯火山島弧（LAA，Lesser Antilles volcanic arc）為研究對象，嘗試利用島弧火山巖中熔融包裹體的B（硼）元素含量和B同位素組成識別俯衝帶流體來源。

為什麼用熔融包裹體的B元素？B是流體活動性元素，由於俯衝板片的各個端元中B含量顯著高於虧損地幔（<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主要來自於俯衝的板片流體。因此，俯衝帶巖漿中B元素可以示蹤俯衝板片釋放流體的貢獻。同時，俯衝板片中不同端元的流體B同位素組成具有顯著差別。蛇紋石來源的B富集11B（相對於10B），所以具有特別高的δ11B值（從+7‰到+20‰）(De Hoog and Savov, 2018)。由蛇紋石來源的流體誘發的地幔熔融產生的弧巖漿δ11B高達18‰，明顯比MORB地幔源區的δ11B值（-7.1‰±0.9‰）更高。小安第列斯俯衝沉積物來源的流體雖然富集B元素（50–160ppm），但它們與弧下蛇紋石來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經歷一定程度的巖漿分異，都不再是原始成分，但是B同位素特徵主要由源區決定而不是分異過程。

Cooper等（2020）利用SIMS（於英國愛丁堡大學完成，儀器為離子探針Cameca IMS-1270）測試了島弧火山巖（巖性從低MgO高Al玄武巖到流紋巖）單斜輝石中198個玻璃質熔融包裹體的揮發分（H2O、CO2）和微量元素，並對其中92個熔融包裹體進一步測試了B同位素組成。

分析結果顯示，LAA熔融包裹體中溶解的水含量最高可達9.1wt%，但各個島的水含量值的變化範圍都較大（圖1）。熔融包裹體的水含量易受巖漿分異過程影響，很難代表原始巖漿的水含量。水含量在經歷不飽和結晶的熔體中會升高，在水飽和的情況下會保持恆定，而在晚期去氣過程中會從熔體中丟失。捕獲後結晶或者熔體擴散也會改造熔融包裹體中的水含量。而流體活動性和不活動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，因為這兩類元素在熔融和巖漿分異過程中行為相似。LAA熔融包裹體數據表明中心島弧具有高的B/Nb（圖1），很可能反應了其來源於特別富流體和富B的巖漿源區。

圖1 小安第列斯火山島弧的等深線圖以及與之對應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比值圖中不同圖標顏色代表了熔融包裹體SiO2的含量值大小（反應巖漿分異）。δ11B值圖中的不同圖標顏色代表了B/Nb比值大小（指示流體加入量）。已發表的熔融包裹體B同位素比值以交叉十字符號表示。δ11B值誤差線為1σ，一般小於±1‰

該研究獲得的LAA熔融包裹體的δ11B值範圍為-2.8‰–+11.2‰（圖1），大部分值分布在全球弧巖漿的範圍內（從-9‰到+16‰），具有最高δ11B值的熔融包裹體來自中心島弧（Guadeloupe和Dominica島）。單個島弧火山巖熔融包裹體的δ11B值存在一定範圍的變化，相鄰的火山之間具有相似的主量元素特徵卻顯示明顯不同的δ11B值，造成該現象的原因是什麼？作者分析表明：（1）各火山內部的δ11B值變化不可能是地殼分異過程造成的，因為δ11B值沒有隨分異指示性元素系統地變化（如SiO2和Rb/Sr）。這與前人的發現一致，分離結晶對熔體δ11B值的影響可以忽略不計。（2）開放體系分異過程中，地殼同化作用同樣可以改變δ11B值和B/Nb，但是這類來源的物質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成分。且LAA地殼的同化作用在分異過程中會降低熔體δ11B值，但這樣的趨勢並未在數據中體現。最終，作者認為島弧火山巖熔融包裹體δ11B值的差異反應了島弧火山之間地幔源區性質的不同。並證實了是由兩個不同源區的流體加入引起的：（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值明顯高於+5‰，對比現有可能的源區，只有流體量中>60%由蛇紋石脫水貢獻才能產生這樣的同位素特徵（圖2）。南部和北部島弧低的δ11B值可能主要是由於蝕變洋殼和沉積物釋放的流體導致的。但是，δ11B值與流體加入量（據Nb/B比值，圖2）之間沒有對應關係。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，但是估算結果表明只有<30%來自於蛇紋石。因此，流體的總量與不同流體來源所佔的比例是解偶的。南部和北部火山弧，除了St Vincent島，來源於蛇紋石的流體的比例明顯低於中心島弧。那麼上述蛇紋石從何處來？根據B同位素，不可能區分蛇紋巖流體源於板片還是來自循環的弧前物質。然而，作者發現在中心島弧深部地震波呈現出峰值，可以推測是橄欖巖在板塊中發生了脫水。綜合形成於緩慢擴張的巖石圈中的蛇紋石化橄欖巖的豐度，證實了為LAA地幔楔輸送流體的蛇紋石來源於板片。

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值關係圖（Cooper et al., 2020）。混合模型（黑線）指示虧損地幔（DM，depleted mantle）被來自於蛇紋巖的流體和蝕變洋殼+沉積物的流體進行不同比例地混染。粗的綠線條代表了全球蛇紋巖流體δ11B值範圍。模式的輸入具體參見原文獻方法章節

本項研究的意義在於：（1）通過LAA工作揭示的流體活動歷史與理論預測的俯衝板片中不同位置斷裂帶隨時間演化釋放流體的過程非常一致，闡明板片斷裂帶脫水對島弧形成的意義；（2）揭示俯衝斷裂帶中蛇紋石脫水對島弧巖漿水和元素含量及同位素特徵具有主導性貢獻；（3）提供強有力證據證明俯衝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特徵、地震活動、地殼結構和島弧巖漿產率。

【致謝：感謝巖石圈郭順副研究員對本文提出的寶貴修改意見】

主要參考文獻

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，範宏瑞/礦產室）

校對：李玉鈐

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