俯冲带流体中重硅同位素组成的控制机制：流体-岩石相互作用与流体演化的关键作用

本研究针对俯冲带流体中硅同位素组成异常的科学问题，通过分析多米尼加Rio San Juan Complex的硬玉岩及相关岩石的微量元素、Sr-Nd-O-Si同位素组成，揭示了硬玉岩形成过程中流体-岩石相互作用和矿物结晶对硅同位素分馏的控制机制。研究发现硬玉岩形成流体源自蚀变洋壳（AOC），其高δ30Si值（0.76‰–0.99‰）源于含轻硅同位素矿物（如绿帘石、绿辉石）的结晶分异。该成果为理解俯冲带硅循环及地幔硅同位素异常提供了新视角，发表于《Geoscience Frontiers》。

　　

论文解读

地球俯冲带是地表物质向深部输送的关键通道，其流体活动直接影响地幔组成和板块运动。硅（Si）作为地壳和地幔的主要组成元素，其同位素分馏行为对理解俯冲带物质循环至关重要。然而，俯冲带流体中硅同位素异常（如高δ³⁰Si值）的成因长期存在争议：究竟是源自地表沉积物输入，还是流体演化过程中的分馏效应？这一问题的解答对厘清深部硅循环机制具有重要意义。

针对这一科学难题，中国科学技术大学的研究团队选取多米尼加Rio San Juan Complex（RSJC）的硬玉岩（Jadeitite）及富硬玉石英岩为研究对象。这些岩石形成于俯冲带高压-低温（HP/LT）环境，可分为直接沉淀型（P型）和交代型（R型），是记录流体组成的理想载体。通过整合微量元素、Sr-Nd-O-Si同位素分析，结合热力学模拟，团队揭示了俯冲带流体硅同位素异常的形成机制，成果发表于《Geoscience Frontiers》。

关键技术方法
研究采用多同位素联测技术：1）通过MC-ICP-MS测定全岩Si同位素（δ³⁰Si），采用碱熔融法和阳离子交换树脂纯化流程；2）利用TIMS分析Sr-Nd同位素组成（(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i和ε_Nd(t)）；3）激光氟化法测定氧同位素（δ¹⁸O）；4）基于矿物-流体分馏系数（如1000lnα_{石英-流体}=0.33‰）反演原始流体组成。样品来自RSJC蛇纹岩基质混杂岩中的硬玉岩体，包括基质含石英与不含石英两大岩套。

研究结果

5.1 硬玉岩成因分类
通过岩相学（如振荡环带硬玉、继承锆石）与地球化学指标（REE配分、Eu异常），明确RSJC硬玉岩以R型为主（占样品多数），其δ¹⁸O（6.6‰–9.2‰）和REE模式与斜长花岗岩原岩一致；P型样品（如30852）则显示流体包裹体和更高δ³⁰Si值（?0.15‰至0.25‰）。

5.2 硅同位素分馏机制
关键发现包括：
1）P型硬玉岩形成流体具极高δ³⁰Si（0.76‰–0.99‰），但低(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i（0.70346–0.70505）和高ε_Nd(t)（4.6–6.8）排除了沉积物或蛇纹岩流体的贡献，支持AOC来源；
2）Rayleigh分馏模拟表明，绿帘石（δ³⁰Si=?0.63‰）或绿辉石（Omphacite）的结晶可使残余流体δ³⁰Si升高至观测值；
3）R型样品δ³⁰Si（?0.20‰至0.08‰）高于火成岩阵列，说明外部流体带入重硅同位素，而脱硅作用（如钠长石分解）会降低全岩δ³⁰Si。

5.3 流体演化模型
提出两阶段演化：1）AOC流体通过结晶富轻硅同位素矿物（如绿帘石、绿辉石）逐步富集³⁰Si；2）该流体直接沉淀形成P型硬玉岩，或通过高水岩比（<7）交代斜长花岗岩形成R型岩石。

结论与意义
研究首次阐明俯冲带流体高δ³⁰Si值的成因并非依赖沉积物输入，而是矿物结晶分异的产物。这一发现挑战了传统“沉积物主导”模型，为解释弧岩浆和地幔包体中硅同位素异常提供了新机制。若此类硬玉岩深俯冲至弧下深度，其重硅同位素特征可能显著改变地幔的Si同位素组成。该成果对理解板块俯冲过程中的元素循环具有里程碑意义，也为利用硅同位素示踪深部过程提供了更精确的约束。