电气石和白云母中的硼同位素：变质脱挥发分的示踪剂及其对喜马拉雅成矿作用的意义

《Chemical Geology》：Boron isotopes in tourmaline and white mica: tracers of metamorphic devolatilization with implications for Himalayan mineralization

　　摘要变质脱水是通过流体释放实现元素再分布的基本过程，控制着金属的迁移和富集。矿物中的硼浓度和同位素组成在记录变质脱挥发作用和阐明相关质量转移方面具有巨大潜力。本研究探讨了喜马拉雅地区的变质脱挥发作用及其与锂-铍矿化的关系，重点研究了喜马拉雅东部云母片岩和富长石花岗岩中的矿物硼同位素。云母片岩中的电气石δ¹¹B值为?8.7‰至?4.8‰，且δ¹¹B从核到边呈递减分带，与前锋生长分带一致。相平衡模型表明，前锋变质过程中含水性矿物的分解导致大量H₂O损失，从而降低了原岩及共存流体中的硼浓度，同时释放出硼同位素逐渐变轻的流体。白云母中观察到的显著硼同位素变化（?28.8‰至?4.3‰）和分带归因于云母脱水。相比之下，富长石花岗岩中电气石的δ¹¹B从核到边呈增加的分带，是由于变质流体交代作用。除了流体生成作用外，变质脱挥发作用对于稀有金属的运输和富集也具有重要意义。质量平衡模型表明，前锋脱挥发过程中，超过50%的Li从原岩中损失，而Be得以保存，使得高级变质岩贫化于Li和B。这些流体随后通过南喜马拉雅断裂系统促进了变质岩和花岗岩的交代作用，显著富集了Li。相比之下，Be不受脱挥发作用的影响，其富集可能与高温条件下的云母分解有关。变质脱挥发过程中Li和Be的不同行为导致高级变质岩中Li和B浓度显著低于源自相似原岩的低级变质岩，并可能影响其后续部分熔融过程中的富集。因此，变质脱挥发可能是控制喜马拉雅地区Li-Be矿化空间分布的关键岩石学过程。引言变质脱挥发作用是释放流体的基本过程，这些流体作为调节挥发分循环、促进质量转移和触发岩浆形成的关键化学介质（Hermann等，2013；Manning，2004）。这些流体通过降低固相线、控制熔融化学和影响矿化作用来显著促进异质熔融（Knesel和Davidson，2002；Lu等，2015；Weinberg和Hasalová，2015）。含水性矿物的分解是自由H₂O的主要来源，从而触发部分熔融（Manning，2004；Schwindinger等，2019；Marschall等，2007）。随后水活度和元素分配的转移导致熔融体积和化学成分显著变化（Gao等，2024）。此外，变质脱挥发作用可以有效地将分散的元素富集到矿石品位（Stepanov，2021）。因此，揭示脱挥发过程中这些流体的化学演化对于阐明熔融生成和相关金属行为的机制至关重要。喜马拉雅造山带出露着广泛的富长石花岗岩，具有显著的稀有金属矿化（Cao等，2022），特别是Be、Nb/Ta和Li/Rb/Cs矿化（Wu等，2024）。这些富长石花岗岩是通过变质岩的无流体熔融和有流体熔融形成的（Gao等，2024；Weinberg，2016），不同的H₂O活度导致熔融反应的化学计量差异，产生成分和同位素不同的熔融体（Zeng等，2005）。作为向异质熔融源释放自由H₂O的主要机制，变质脱挥发作用产生了化学组成多样的流体（Evans和Tomkins，2020）。这些流体主要是水性的，但富含金属、盐类、硫化物和含碳物种（Manning和Frezzotti，2020）。它们在塑造喜马拉雅富长石花岗岩的化学和矿物多样性方面起着关键作用（Cheng等，2021；Guillot和Le Fort，1995；Hopkinson等，2019）。硼同位素为流体演化提供了强大的示踪剂，因为变质脱挥发过程中存在显著的同位素分馏（Bebout和Nakamura，2003；Halama等，2020；Marschall等，2007）。前锋变质脱水降低流体中的B浓度和δ¹¹B值，而逆行水化则往往产生相反的趋势（Bebout和Nakamura，2003）。电气石是一种稳健的富B矿物，保存了流体化学的宝贵记录，被广泛应用于解析流体-熔体-岩石相互作用（Marschall等，2009；van Hinsberg等，2011a；Xiong等，2024）。其难熔化学分带可重建流体成分和P–T演化（Chen等，2023；van Hinsberg等，2017）。此外，白云母是变质和岩浆系统中另一个主要的硼储库，在广泛的P–T条件下保持稳定（Sievers等，2016），并在脱水/水化、交代作用和岩浆演化过程中表现出显著的B同位素分馏（Halama等，2020；Liu等，2022）。本研究探讨了喜马拉雅东部措那地区云母片岩和富长石花岗岩中电气石和白云母的B同位素体系。通过将矿物化学与热力学建模相结合，我们重建了变质脱挥发过程中的流体演化，并阐明了其在岩浆形成和金属行为中的作用，从而加深了对喜马拉雅矿化作用的理解。片段地质背景喜马拉雅造山带绵延超过2000公里，是新生代印度-欧亚碰撞的产物。它容纳了从北到南的四个主要岩石构造单元：特提斯喜马拉雅序列（THS）、大喜马拉雅序列（GHS）、小喜马拉雅序列（LHS）和副喜马拉雅序列（SHS）（图1a；Yin和Harrison，2000）。这些单元分别以南喜马拉雅断裂系统（STDS）、中央主逆冲断层（MCT）和主边界断层（MBT）为界（Goscombe等，2018）。矿物主量元素分析使用JXA-iHP200F电子探针微区分析仪（EPMA）分析了云母片岩中电气石和白云母的主量元素成分（包括卤素F和Cl），分析在中国地质科学院矿产资源研究所成矿预测与评价重点实验室进行。分析在15 kV加速电压、10 nA束流和5 μm束径条件下进行，原始数据使用ZAF方法进行校正。岩石学和矿物化学云母片岩（样品QZM-21-05）采自GHS的最高结构层位，而两个富长石花岗岩样品（CND-3和CND-2-13）采自THS的措那地区（图1a-b）。云母片岩经历了亚固相条件下的角闪岩相变质作用，矿物组合包括石榴石、白云母、黑云母、斜长石、石英、电气石和石墨，少量堇青石（图2a-c和S1a-f）。石榴石以巨型斑晶形式出现。电气石分带记录变质脱挥发和流体交代作用云母片岩中的电气石沿片理化分布，并叠生于变质黑云母、白云母和石榴石之上（图2d-e和S1a）。这些结构关系支持电气石的变质成因。地球化学上，云母片岩中的电气石具有高Mg#值，被归类为铁电气石（图3a-b），这与喜马拉雅变质泥岩中报告的变质电气石成分一致（Cheng和Zhang，2022；Ji等，2023；Kawakami等，）。结论本研究调查了喜马拉雅云母片岩和富长石花岗岩中电气石和白云母的硼同位素，以追踪变质脱挥发和流体交代过程。云母片岩中的电气石具有δ¹¹B值为?8.7‰至?4.8‰的高值，并呈现递减的分带模式，反映了变质脱挥发作用。这一过程由H₂O损失驱动，随着变质程度增加，释放出逐渐贫化于¹¹B的流体。同一岩石中的白云母表现出显著的……CRediT作者贡献声明Shuaiqi Liu：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，调查研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。Guibin Zhang：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督指导，方法论，资金获取，概念化。Chuyu Hu：形式分析。Jie Dodo Xu：撰写——审阅与编辑，数据管理。Hongli Wang：调查研究。利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。致谢本研究得到了国家自然科学基金（资助号42502046，42425203和42372061）和湖南省自然科学基金（资助号2026JJ60171）的支持。作者感谢Li Chen、Nan Li和Xiaoli Li在实验室分析过程中提供的帮助。我们也感谢编辑Sonja Aulbach对我们稿件的帮助性处理，以及两位匿名审稿人的建设性建议。Shuaiqi Liu | Guibin Zhang | Chuyu Hu | Jie Dodo Xu | Hongli Wang中南大学地球科学与信息物理学院，有色金属矿床成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，长沙410083，中国