科研成果
Ba同位素示踪俯冲带多阶段流体-岩石相互作用
时间：2024年02月26日
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我所自然资源部海底科学重点实验室（KLSG）海底资源与成矿系统团队在国际知名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上发表了题为Barium isotope behavior during interaction between serpentinite-derived fluids and metamorphic rocks in the continental subduction zone的研究成果。该成果第一作者为我所博士后陈安霞，共同作者包括我所韩喜球研究员、中国科大黄方教授、陈伊翔教授，及来自Ruhr-University Bochum、中科院南京土壤所等合作单位的学者。
俯冲带蛇纹岩来源流体是壳幔相互作用和岛弧岩浆形成的重要媒介，制约蛇纹岩来源流体的组成及流体-岩石相互作用特征是理解地球壳幔系统地球化学演化的重要方面。俯冲带蛇纹岩主要包括板片蛇纹岩和地幔楔蛇纹岩，他们均可进入俯冲隧道，在不同深度变质脱水，释放流体及钡（Ba）等流体活动性元素，对俯冲带岩石的地球化学组成有重要影响。然而，目前对蛇纹岩来源流体的Ba同位素组成以及流体-岩石相互作用过程中Ba同位素的分馏行为尚不清楚。
针对该问题，作者以西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体中的白片岩为对象展开研究。白片岩与围岩变花岗岩具有相同的原岩、经历了相同的深俯冲和超高压变质作用。在这个过程中，白片岩还受到了来自地幔楔蛇纹岩来源流体的交代，导致白片岩具有低Ba含量、重Mg-Fe同位素组成、轻Li同位素组成特征。因此，白片岩是研究俯冲带流体-岩石相互作用过程中Ba同位素分馏行为的理想对象。
结果表明，与围岩（δ138Ba = -0.25 ~ 0.26‰）相比，白片岩的Ba同位素组成（δ138Ba = -0.99‰ ~ 0.48‰）在水岩相互作用过程中发生了很大的变化，并与Ba及其它流体活动性元素（Sr、Cs、Zn、Cu）呈现负相关关系（图1）。俯冲带流体对白片岩原岩的交代过程可以用一个水岩反应模型很好地解释（图2）。根据模拟结果，白片岩形成于俯冲隧道内部高水岩比（4-12）条件；蛇纹岩来源的初始流体的δ138Ba值明显高于上地幔；在水岩作用过程中，重Ba同位素更倾向于进入流体，其表观分馏系数（Δ138Ba岩石-流体）大多为-0.5‰ ~ -0.1‰，但个别样品需低至-0.8‰ ~ -0.7‰。白片岩的形成过程可以用一个两阶段脱水-交代反应过程来描述（图3）。在弧前深度，俯冲板片地壳物质脱水释放流体交代上覆地幔楔，形成富集重Ba同位素组成的蛇纹岩；随着板片继续俯冲，地幔楔蛇纹岩被刮削进入俯冲隧道，并在弧下深度脱出富集重Ba同位素的流体交代变花岗岩，引起交代岩石中流体活动性元素的亏损和Ba同位素的较大变化。因此，白片岩记录了从大洋俯冲到大陆碰撞过程中，壳源流体交代地幔楔和地幔楔蛇纹岩脱出流体反向交代地壳的多阶段流体-岩石相互作用。
该项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。
图1 白片岩中Ba同位素组成与Ba含量显示负相关性，A-E代表不同的采样位置。
图2 水岩反应模型描述流体-岩石相互作用过程中Ba含量与Ba同位素组成的变化
图3 两阶段脱水-交代反应卡通示意图。(a)洋壳俯冲阶段，流体交代地幔楔，形成地幔楔蛇纹岩，（b）陆壳俯冲阶段地幔楔蛇纹岩在弧下深度脱水反向交代俯冲隧道中的陆壳物质，（c）地幔楔蛇纹岩脱出流体与变花岗岩相互作用，形成白片岩。
论文引用：
Chen, A., Chen, Y.-X., Gu, X., Zeng, Z., Xiao, Z., Schertl, H.-P., Han, X., Zhao Z.-F., Huang, F. (2023). Barium isotope behavior during interaction between serpentinite-derived fluids and metamorphic rocks in the continental subduction zone. Geochim. Cosmochim. Acta 353, 61–75. doi:10.1016/j.gca.2023.05.016.
