重硼同位素揭示地幔中再循环碳酸盐：破解地球深部碳循环密码

为探究地幔中碳等挥发物的循环问题，研究人员分析中国浙江地区两类大陆板内玄武岩硼同位素。结果发现其与地幔不均一性指标相关，高 δ11B 组分源于再循环俯冲碳酸盐。这表明俯冲碳酸盐可将重硼带入地幔，影响重大。

　　在地球漫长的演化历程中，地表物质的循环对地球的 “健康” 和宜居性起着至关重要的作用。其中，碳元素作为生命的基石，其在地幔中的循环一直是科学界关注的焦点。然而，由于板块俯冲过程中，板块的脱水作用可能阻止碳进入深部地幔，使得碳在深部地幔的循环情况变得扑朔迷离。而且，以往研究中，许多地球化学示踪剂受多种因素影响，难以准确追踪地幔中的碳，尤其是难以区分再循环的碳酸盐和具有类似特征的硅酸盐。例如，在俯冲带，碳酸盐 - 硅酸盐相互作用会使再循环碳酸盐耗尽，并将金属阳离子转移到脱碳榴辉岩的硅酸盐矿物中，导致难以确定板内玄武岩中异常金属同位素组成的来源。

硼（B）作为一种流体活动元素，其同位素在深部地幔挥发物循环研究中具有巨大潜力。硼有¹⁰B 和¹¹B 两种稳定同位素，在近地表环境中会发生显著的同位素分馏，通常用 δ¹¹B 表示样品与标准硼酸（NBS 951）的¹¹B/¹⁰B 比值千分差。在板块脱水过程中，B (OH)₃是主要的水溶硼物种，优先结合¹¹B 。全球范围内，远离海沟的弧岩浆 B/Nb 和 δ¹¹B 值逐渐降低，新鲜的洋中脊玄武岩（MORBs）也有特定的 B/Nb 和 δ¹¹B 值范围。但海洋玄武岩（MORBs 和大洋岛玄武岩 OIBs）的硼同位素研究常受海水蚀变的干扰，导致难以确定板内玄武岩硼地球化学特征能否反映俯冲组分的加入。

为了解开这些谜团，中国科学院南京地质古生物研究所的研究人员对中国浙江地区的两类原始大陆板内玄武岩进行了深入研究。他们通过分析硼同位素和浓度，并结合元素丰度以及 Nd、Sr、Zn 和 Fe 同位素等多方面的数据，发现这些玄武岩中的硼同位素与地幔不均一性指标存在良好的相关性。这一发现为揭示地幔中俯冲组分的贡献提供了关键线索。相关研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员在开展研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先，采用碱性熔融法处理样品，用 Neptune Plus MC - ICP - MS 测量硼的丰度和同位素比值，以此获取高精度的硼同位素数据。其次，通过对样品的微量元素、同位素组成分析以及热压测量等方法，研究岩浆的起源深度、地幔源区特征等。

下面来详细看看研究结果：

• 地幔源对硼同位素的控制：研究人员发现，所研究的板内玄武岩的 δ¹¹B 值与多种地幔部分熔融和源区不均一性指标存在相关性，如 SiO₂、La/Yb、Sr/Ce 等。由于硼在高温地幔熔融和分离结晶过程中的平衡分馏可忽略不计，这些相关性表明岩浆是由不同 δ¹¹B 值的地幔组分熔融混合而成。晚期玄武岩的硼同位素组成和 B/Nb、B/Ce 比值与 Sr/Ce、K/U 和 La/Yb 比值相关，这与交代的大陆岩石圈地幔（SCLM）和软流圈地幔的熔体混合一致。早期玄武岩总体硼浓度和 B/Ce 比值较高，可能源于更富硼的地幔源区，但较低的部分熔融程度也有一定贡献。
• 再循环脱水板块在早期玄武岩中产生低于 MORB 的 δ¹¹B：早期玄武岩中最低的 δ¹¹B 值（ - 9.5‰）低于亏损地幔的范围，且其 B/Ce 比值也低于 MORBs。结合其较高的 La/Yb 比值，最可能的解释是早期玄武岩中硼亏损且同位素较轻的组分来自脱水再循环的大洋地壳部分熔融。不过，仅脱水大洋地壳无法解释早期玄武岩中略微富集的 Sr 和 Nd 同位素以及相对较低的 Ce/Pb 比值，少量再循环硅质沉积物的加入可以解释这些特征。
• 交代的 SCLM 作为晚期玄武岩中低 δ¹¹B 的组分：以往研究表明，俯冲交代的 SCLM 对晚期玄武岩的形成有贡献。硼同位素和浓度分析进一步揭示，晚期玄武岩中具有较高流体活动与不活动元素比值（如 Sr/Ce、K/U 等）且 SCLM 特征更强的样品，其 δ¹¹B 值更低，表明 SCLM 组分可能具有较低的 δ¹¹B 值。结合样品的地球化学特征，研究人员认为晚期玄武岩低 δ¹¹B 的地幔源区来自主要被脱水俯冲沉积物交代的 SCLM。此外，有两个晚期玄武岩样品具有最高的 δ¹¹B 值，可能是因为它们在不同压力下平衡，并采样了受更高程度交代的 SCLM 组分。
• 再循环碳酸盐作为常见的重硼端元：研究中两类大陆板内玄武岩在多数交叉图中都趋向于一个 δ¹¹B 约为 - 2‰的共同组分。从样品的地球化学特征判断，这个共同的高 δ¹¹B 端元最可能是再循环碳酸盐。多种地球化学证据，如 Mg 和 Zn 同位素、低 B/Ce 比值等都支持这一结论。这表明再循环碳酸盐可在俯冲过程中保留重硼同位素特征，并被运输到深部地幔，对板内玄武岩的形成有重要影响。

研究结论和讨论部分具有重要意义。研究表明，俯冲碳酸盐可携带重硼进入地球深部地幔，其再循环能够解释板内岩浆和深部来源碳酸岩中高 δ¹¹B 的特征。这一发现为地壳碳酸盐在俯冲过程中能够存活并进入地幔过渡带（MTZ）提供了地球化学证据，也解释了中国东部硅不饱和大陆板内玄武岩异常的 Mg 同位素组成。综合地球物理和地球化学证据，研究揭示了再循环碳酸盐在深部地幔熔融中起着重要作用，其对幔源化学的影响可能比以前认为的更为广泛。这一研究成果有助于我们更深入地理解地球深部碳循环过程，为地球演化研究提供了新的视角和关键证据。