Nature：利用熔融包裹体的元素和同位素示踪俯冲带流体来源

在汇聚板块边缘，大洋岩石圈通过俯冲作用携带挥发分(尤其是水)进入地幔。这些俯冲下去的水/流体控制着岩浆产物、地震活动、陆壳形成和资源成矿。但是，识别不同流体的来源(沉积物，地壳还是岩石圈地幔)具有很大的挑战性(Hacker, 2008; Cooper et al., 2020)。

大西洋俯冲带是研究深部流体循环的绝佳区域，因为缓慢扩张形成的大西洋岩石圈水化作用高度不均一，可能受到了俯冲板片不同端元流体(如沉积物、蚀变洋壳、蛇纹石化岩石圈地幔)的交代。流体来源和流体量的差异会引起受交代岩石圈地幔性质的不均一，从而沿岛弧会产出不同性质的岩浆。英国布里斯托大学Cooper et al.(2020)选取大西洋俯冲带小安第列斯火山岛弧(LAA，Lesser Antilles volcanic arc)为研究对象，尝试利用岛弧火山岩中熔融包裹体的B(硼)元素含量和B同位素组成识别俯冲带流体来源。

为什么用熔融包裹体的B元素？B是流体活动性元素，由于俯冲板片的各个端元中B含量显著高于亏损地幔(<0.1ppm)，因此岛弧岩浆一旦具有高的B与流体难溶元素(如Ti，Ni，Zr)比值，则表明B主要来自于俯冲的板片流体。因此，俯冲带岩浆中B元素可以示踪俯冲板片释放流体的贡献。同时，俯冲板片中不同端元的流体B同位素组成具有显著差别。蛇纹石来源的B富集¹¹B(相对于¹⁰B)，所以具有特别高的δ¹¹B值(从+7‰到+20‰)(De Hoog and Savov, 2018)。由蛇纹石来源的流体诱发的地幔熔融产生的弧岩浆δ¹¹B高达18‰，明显比MORB地幔源区的δ¹¹B值(-7.1‰±0.9‰)更高。小安第列斯俯冲沉积物来源的流体虽然富集B元素(50–160ppm)，但它们与弧下蛇纹石来源流体相比明显具有更低的δ¹¹B值(约-15‰到+5‰)。再有，岛弧岩浆在浅部地壳会经历一定程度的岩浆分异，都不再是原始成分，但是B同位素特征主要由源区决定而不是分异过程。

Cooper等(2020)利用SIMS(于英国爱丁堡大学完成，仪器为离子探针Cameca IMS-1270)测试了岛弧火山岩(岩性从低MgO高Al玄武岩到流纹岩)单斜辉石中198个玻璃质熔融包裹体的挥发分(H₂O、CO₂)和微量元素，并对其中92个熔融包裹体进一步测试了B同位素组成。

分析结果显示，LAA熔融包裹体中溶解的水含量最高可达9.1wt%，但各个岛的水含量值的变化范围都较大(图1)。熔融包裹体的水含量易受岩浆分异过程影响，很难代表原始岩浆的水含量。水含量在经历不饱和结晶的熔体中会升高，在水饱和的情况下会保持恒定，而在晚期去气过程中会从熔体中丢失。捕获后结晶或者熔体扩散也会改造熔融包裹体中的水含量。而流体活动性和不活动性微量元素之间的比值，如B/Nb，能够可靠地指示流体的贡献，因为这两类元素在熔融和岩浆分异过程中行为相似。LAA熔融包裹体数据表明中心岛弧具有高的B/Nb(图1)，很可能反应了其来源于特别富流体和富B的岩浆源区。

图1 小安第列斯火山岛弧的等深线图以及与之对应的熔融包裹体的水含量，B/Nb比值和δ¹¹B值分布图(Cooper et al., 2020)。H₂O含量和B/Nb比值图中不同图标颜色代表了熔融包裹体SiO₂的含量值大小(反应岩浆分异)。δ¹¹B值图中的不同图标颜色代表了B/Nb比值大小(指示流体加入量)。已发表的熔融包裹体B同位素比值以交叉十字符号表示。δ¹¹B值误差线为1σ，一般小于±1‰

该研究获得的LAA熔融包裹体的δ¹¹B值范围为-2.8‰–+11.2‰(图1)，大部分值分布在全球弧岩浆的范围内(从-9‰到+16‰)，具有最高δ¹¹B值的熔融包裹体来自中心岛弧(Guadeloupe和Dominica岛)。单个岛弧火山岩熔融包裹体的δ¹¹B值存在一定范围的变化，相邻的火山之间具有相似的主量元素特征却显示明显不同的δ¹¹B值，造成该现象的原因是什么？作者分析表明：(1)各火山内部的δ¹¹B值变化不可能是地壳分异过程造成的，因为δ¹¹B值没有随分异指示性元素系统地变化(如SiO₂和Rb/Sr)。这与前人的发现一致，分离结晶对熔体δ¹¹B值的影响可以忽略不计。(2)开放体系分异过程中，地壳同化作用同样可以改变δ¹¹B值和B/Nb，但是这类来源的物质很可能与蚀变洋壳和沉积物具有相似的同位素和地球化学成分。且LAA地壳的同化作用在分异过程中会降低熔体δ¹¹B值，但这样的趋势并未在数据中体现。最终，作者认为岛弧火山岩熔融包裹体δ¹¹B值的差异反应了岛弧火山之间地幔源区性质的不同。并证实了是由两个不同源区的流体加入引起的：(1)蚀变的洋壳和沉积物；(2)蛇纹石脱水。在LAA中部位置，熔融包裹体的δ¹¹B值明显高于+5‰，对比现有可能的源区，只有流体量中>60%由蛇纹石脱水贡献才能产生这样的同位素特征(图2)。南部和北部岛弧低的δ¹¹B值可能主要是由于蚀变洋壳和沉积物释放的流体导致的。但是，δ¹¹B值与流体加入量(据Nb/B比值，图2)之间没有对应关系。与中心岛弧的Guadeloupe和Dominica岛相比，南部St Lucia熔融包裹体具有高的流体量的加入，但是估算结果表明只有<30%来自于蛇纹石。因此，流体的总量与不同流体来源所占的比例是解偶的。南部和北部火山弧，除了St Vincent岛，来源于蛇纹石的流体的比例明显低于中心岛弧。那么上述蛇纹石从何处来？根据B同位素，不可能区分蛇纹岩流体源于板片还是来自循环的弧前物质。然而，作者发现在中心岛弧深部地震波呈现出峰值，可以推测是橄榄岩在板块中发生了脱水。综合形成于缓慢扩张的岩石圈中的蛇纹石化橄榄岩的丰度，证实了为LAA地幔楔输送流体的蛇纹石来源于板片。

图2 小安第列斯火山岛弧岩浆中熔融包裹体的Nb/B比值与δ¹¹B值关系图(Cooper et al., 2020)。混合模型(黑线)指示亏损地幔(DM，depleted mantle)被来自于蛇纹岩的流体和蚀变洋壳+沉积物的流体进行不同比例地混染。粗的绿线条代表了全球蛇纹岩流体δ¹¹B值范围。模式的输入具体参见原文献方法章节

本项研究的意义在于：(1)通过LAA工作揭示的流体活动历史与理论预测的俯冲板片中不同位置断裂带随时间演化释放流体的过程非常一致，阐明板片断裂带脱水对岛弧形成的意义；(2)揭示俯冲断裂带中蛇纹石脱水对岛弧岩浆水和元素含量及同位素特征具有主导性贡献；(3)提供强有力证据证明俯冲的岩石圈地幔中蛇纹石的不均匀分布极大控制着弧下地幔楔的地球化学特征、地震活动、地壳结构和岛弧岩浆产率。

【致谢：感谢岩石圈郭顺副研究员对本文提出的宝贵修改意见】

主要参考文献

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：蔡亚春，范宏瑞/矿产室)

校对：李玉钤