俯冲带是实现地壳和地幔之间物质和能量交换的主要途径，也是全球地震和火山作用发生的最重要场所。板块深俯冲过程中会发生变质脱水和部分熔融，衍生出多种类型的熔/流体。其中，碳酸盐熔体和硅酸盐熔体作为俯冲带普遍存在的、重要的交代介质，在壳幔相互作用过程中扮演着重要的角色，它们可以交代地幔并对后者造成重大影响，如大幅度改变地幔的物理化学性质，包括降低地震波速、改变流变学特征和导致电导率异常等；输送大量的碱金属及其他不相容元素和重要挥发分（如C、S等）进入地幔，改变地幔的亏损/富集特征，导致地幔的不均一性；交代后的地幔源区可能会发生部分熔融，导致复杂的俯冲带岩浆作用。特别重要的是，识别俯冲带碳酸盐熔体交代作用对于人们认识和评估全球深部碳循环具有重要的科学意义。

锂（Li）是重要的战略性矿产资源，在电池、冶金、医药、以及受控热核反应和航天等领域均有重要的经济价值。同时，在地球科学领域，作为非传统稳定同位素的代表，Li同位素体系目前已被广泛的应用于示踪俯冲带壳幔相互作用、俯冲地壳物质再循环、大陆风化和矿床成因等方面。但利用 Li同位素区分俯冲带碳酸盐熔体和硅酸盐熔体交代作用的研究还处于探索阶段，其示踪应用原理尚待进一步的深入探讨。

中国科学技术大学地球和空间科学学院、中国科学院壳幔物质与环境重点实验室肖益林教授研究团队和戴立群教授合作，选择我国境内西秦岭造山带出露的新生代碱性和中生代碱性玄武岩作为研究对象，开展了系统的Li同位素组成调查。研究表明，两类碱性玄武岩的Li元素含量和同位素组成存在明显差异（图1）。其中新生代碱性玄武岩具有较正常地幔明显偏高的δ⁷Li值（高达+11.2‰）和低的Li含量，很可能反映了其地幔源区受到了俯冲带碳酸盐来源熔体的交代；而中生代碱性玄武岩则具有显著偏低的δ⁷Li值（低至-3.3‰）和特别高的Li含量，这是其地幔源区受到了俯冲带硅酸盐沉积物来源熔体交代的结果。此外，Li同位素和全岩主-微量元素和Sr-Mg同位素联合图解，也进一步证实了新生代和中生代玄武岩的地幔源区分别受到了碳酸盐熔体和硅酸盐熔体的交代作用。同时，通过与汇编的全球俯冲带已报道的岛弧型和洋岛型玄武岩的Li同位素数据（图2）进行的对比研究，这一成果明确揭示了镁铁质岩浆岩的Li同位素组成可以很好的指示其地幔源区经历的熔体交代作用类型。

图1 西秦岭造山带新生代和中生代碱性玄武岩的Li同位素组成

图2 Li同位素示踪俯冲带熔流体交代作用卡通示意图

相关研究成果以“Differentiation between carbonate and silicate metasomatism based on lithium isotopic compositions of alkali basalts”为题，近日发表在Nature Index收录的国际地球科学领域顶级期刊《Geology》上。谭东波博士为论文的第一作者，肖益林教授和戴立群教授为共同通讯作者。该项研究工作得到了科技部重点研发计划变革性技术关键科学问题专项“超临界地质流体的性质和效应”项目（2018YFA0702701）、中科院先导B项 （XDB41000000）、国家自然科学基金（42073003, 92055209）、中央高校基本科研业务费专项资金 （WK2080000157）资助。

文章连接：https://doi.org/10.1130/G50090.1

(地球和空间科学学院)