造山带岩石圈碳循环机制：锂同位素视角揭示俯冲沉积物熔融主导的碳迁移

针对俯冲带碳循环机制争议，中国科学院研究人员以青藏高原东南缘冕宁-德昌（MD）碳酸岩-碱性杂岩体为研究对象，通过锂同位素（δ7Li）系统分析，发现原始岩浆（煌斑岩）的δ7Li值（0.3‰–3.6‰）指示其源区碳主要来自俯冲碳酸盐沉积物的部分熔融，而非蚀变洋壳或变质脱碳作用。该研究为碰撞带稀有金属矿床成因和深部碳循环提供了新约束。

　　

地球深部的碳循环是调控大气CO₂浓度和气候变化的关键环节，而俯冲带作为地表碳进入地幔的主要通道，其碳迁移机制长期存在争议。传统观点认为俯冲板块中的碳主要通过蚀变洋壳（AOC）、蛇纹岩或沉积物的变质脱碳作用释放，但近年研究发现弧系统碳输出量远低于俯冲碳通量，暗示大量碳可能通过不同途径存储在岩石圈地幔（SCLM）中。这一过程对理解碰撞后碳酸岩及伴生稀土元素（REE）矿床的形成至关重要，但主导机制尚不明确。

针对这一科学难题，中国地质科学院矿产资源研究所的研究团队创新性地利用锂同位素示踪技术，选取青藏高原东南缘冕宁-德昌（MD）碳酸岩-碱性杂岩体为研究对象。该区域发育典型的碰撞后岩浆活动，其煌斑岩-碳酸岩-正长岩组合被证实来源于被俯冲物质改造的富碳SCLM源区。研究人员通过对比原始岩浆（煌斑岩）与演化岩浆（碳酸岩/正长岩）的Li-Sr-Nd-Pb同位素组成，揭示了碳迁移至造山带岩石圈的主导机制，相关成果发表于《Geoscience Frontiers》。

关键技术方法包括：1）对MD地区煌斑岩样品进行全岩Li同位素（δ⁷Li）高精度测定；2）结合已发表的碳酸岩/正长岩数据，建立岩浆演化过程中Li同位素分馏模型；3）通过Sr-Nd-Pb同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd-²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb）和微量元素（如Nb-Ta亏损）特征追溯源区性质；4）采用瑞利分馏方程定量模拟岩浆分异（黑云母结晶）和流体出溶对δ⁷Li的影响。

4.1 同/后岩浆过程影响
煌斑岩具有异常高的Li含量（189–398 ppm）和稳定δ⁷Li值（0.3‰–3.6‰），与LOI（烧失量）和SiO₂无相关性，排除了地壳混染和风化蚀变的影响。相较于演化程度更高的碳酸岩/正长岩（δ⁷Li=?4.5‰–10.8‰），煌斑岩保留了更接近源区的同位素特征。

4.2 岩浆分异中的Li同位素分馏
模型计算表明：黑云母分异（α=0.996）可使熔体δ⁷Li升高至8.4‰（30% Li残留），而后续流体出溶（α=1.004）则导致极端分馏——残余熔体δ⁷Li可降至?5‰，流体相δ⁷Li高达12.5‰。这合理解释了碳酸岩/正长岩的宽泛δ⁷Li分布，证实其异常值源于后期过程而非源区特征。

4.3 地幔源区Li同位素特征
煌斑岩的δ⁷Li值与正常地幔（2.0‰–5.0‰）重叠且MgO无相关性，表明其直接反映SCLM源区特征。结合EM1-EM2型Sr-Nd-Pb同位素和弧型微量元素（Nb-Ta亏损），排除了来自高δ⁷Li的AOC（δ⁷Li可达14‰）或蛇纹岩的碳贡献。

4.4 碳循环机制约束
关键证据显示：1）沉积物中碳酸盐δ⁷Li极高（>15‰），但硅酸盐组分（控制Li总量）δ⁷Li≈地幔值；2）煌斑岩源区δ⁷Li≈沉积物全岩值（3.9±2.3‰）。这证明碳是通过碳酸盐沉积物的整体部分熔融（而非选择性脱碳或溶解）进入SCLM。该机制要求俯冲沉积物在深部（>90 km）发生熔融，与MD岩浆的高La/Yb比（36–689）指示的深部源区（石榴石稳定域）深度一致。

这项研究开创性地将Li同位素作为俯冲碳循环的"指纹识别工具"，证实青藏高原岩石圈碳富集主要受控于俯冲沉积物的部分熔融。该机制对理解碰撞环境稀有金属成矿（如MD超大型REE矿床）和地质历史中深部碳存储效率差异具有重要意义——前寒武纪较热的俯冲带可能更有利于此类碳迁移。研究还建立了岩浆演化过程中Li同位素分馏的定量模型，为后续相关研究提供了方法论范式。