大陆来源沉积物俯冲：富稀土碱性硅酸盐岩浆地幔源区的关键富集机制

《Nature Communications》：The mantle source of REE-rich alkaline silicate magmas can be enriched by continent-derived sediment subduction

为解决富稀土元素（REE）碱性硅酸盐岩浆地幔源区富集机制这一关键科学问题，研究人员对华北克拉通鲁西和赛马碱性杂岩体开展了Li-Ba-Sr-Nd同位素联合示踪研究。结果表明，俯冲再循环的大陆来源沉积物是地幔源区富集的主要贡献者，而非蚀变洋壳或蛇纹岩化作用。该研究揭示了大陆来源沉积物再循环在控制地球关键金属预算中的重要作用。

　　

在地球科学领域，寻找关键金属的“宝藏”一直是科学家们孜孜以求的目标。其中，稀土元素（REE）作为现代高科技产业不可或缺的“工业维生素”，其来源备受关注。全球约30%的稀土资源赋存于碱性火成岩中，这些岩石通常被认为是大陆岩石圈地幔（SCLM）低程度部分熔融的产物。然而，一个核心的科学谜题始终悬而未决：这些地幔源区为何会如此富集稀土元素、碱金属和挥发分？尽管普遍认为这种富集与板块俯冲带来的流体或熔体交代作用有关，但俯冲物质的具体“身份”——究竟是来自蚀变洋壳（AOC）还是海洋沉积物，抑或是其他来源——长期以来存在争议。

为了解开这一谜团，来自中国地质大学（北京）等机构的邱昆峰、龙正宇、邓军等研究人员，将目光投向了华北克拉通（NCC）内赋存着大型稀土矿床的鲁西和赛马碱性杂岩体。他们巧妙地利用锂（Li）和钡（Ba）同位素作为灵敏的示踪剂，结合传统的Sr-Nd同位素体系，对这两个形成于不同构造背景（鲁西为130-120 Ma的弧后伸展环境，赛马为231-224 Ma的碰撞后伸展环境）的岩体进行了系统研究。他们的研究成果于2025年12月17日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，为揭示富稀土碱性岩浆的成因提供了关键证据。

为了开展这项研究，作者团队主要运用了以下关键技术方法：首先，对鲁西和赛马碱性杂岩体的新鲜岩石样品进行了全岩主微量元素分析，以获取其基本地球化学特征。其次，利用多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术，精确测定了样品的Sr-Nd同位素组成，以揭示其源区特征和壳幔相互作用。最关键的是，他们系统测定了样品的Li和Ba同位素组成（δ⁷Li和δ^138/134Ba），这些非传统稳定同位素对识别俯冲再循环物质具有独特的示踪能力。最后，基于获取的同位素数据，作者建立了地幔混合模型，以量化不同端元（如亏损地幔、大陆上地壳、蚀变洋壳等）对岩浆源区的贡献比例。

研究结果

鲁西和赛马碱性杂岩体的地球化学特征

鲁西和赛马碱性杂岩体虽然形成时代和构造背景不同，但均表现出富集轻稀土元素（LREE）、大离子亲石元素（LILE，如Sr、Ba、Pb）以及亏损高场强元素（HFSE，如Ti、Nb、Ta）和重稀土元素（HREE）的“弧型”微量元素配分模式。在Li-Ba同位素组成上，这些岩石普遍具有亏损地幔更轻的δ⁷Li（-4.6‰至+4.8‰）和δ^138/134Ba（-0.26‰至+0.13‰）值。同时，它们还表现出高初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值和低ε_Nd(t)值，明显偏离了亏损地幔的同位素组成。

俯冲再循环物质参与的证据

研究排除了蚀变洋壳（AOC）作为主要源区的可能性。因为AOC通常具有较重的Li和Ba同位素组成（δ⁷Li可达+10至+20‰，δ^138/134Ba可达+0.40‰），而鲁西和赛马岩石的同位素组成明显偏轻。此外，AOC通常具有正的ε_Nd(t)值，与样品强烈的负ε_Nd(t)值不符。研究还排除了蛇纹岩化作用的影响，因为蛇纹岩中Li和Ba含量极低，其释放的流体难以显著改变地幔的同位素组成。

大陆来源沉积物的主导作用

研究指出，大陆来源沉积物是导致地幔源区出现轻Li和Ba同位素特征的最合理解释。在大陆风化过程中，轻的⁶Li和¹³⁴Ba同位素倾向于保留在风化产物（如粘土）中，而重的同位素则被淋滤带走，导致大陆来源沉积物具有较低的δ⁷Li和δ^138/134Ba值。当这些沉积物被俯冲并释放流体或熔体时，会将这种轻同位素特征传递给上覆的地幔楔。

同位素混合模型

通过建立地幔混合模型，研究人员发现，在亏损地幔中加入10-20%的大陆来源沉积物或大陆地壳物质，可以很好地解释鲁西和赛马碱性岩石的Li-Ba-Sr-Nd同位素组成。这一结果强有力地支持了大陆来源沉积物是地幔源区主要富集组分的观点。

研究结论与讨论

本研究通过Li-Ba-Sr-Nd同位素联合示踪，揭示了大陆来源沉积物俯冲再循环是华北克拉通富稀土碱性岩浆地幔源区富集的关键机制。研究认为，大陆来源沉积物在俯冲过程中被带入岩石圈地幔，形成了富含稀土元素和挥发分的化学“肥沃”域。这些域具有较低的固相线温度，在后期岩石圈伸展等构造事件触发下，优先发生低程度部分熔融，从而生成富稀土的碱性岩浆。

这一发现具有重要的理论和实际意义。首先，它将地球表生过程（大陆风化）与地球深部过程（俯冲再循环）紧密联系起来，深化了我们对地球关键金属循环的理解。其次，该模型为全球范围内富稀土碱性岩体的成因提供了一个统一的解释框架，指出大陆来源沉积物的再循环是形成大型稀土矿床的先决条件。最后，该研究强调了岩石圈地幔的“预富集”对于成矿的重要性，为未来在克拉通边缘等有利构造部位寻找稀土资源提供了重要的理论指导。