中国科大金属稳定同位素实验室 GCA | 俯冲带流体-岩石相互作用过程中的铷（Rb）同位素分馏——来自西阿尔卑斯超高压白片岩的启示

研究背景

俯冲带流体是地球表层与深部物质交换的关键载体。当大洋板块或大陆板块俯冲到地球深部时，会释放出大量流体。这些流体像“搬运工”，把铷（Rb）等元素从俯冲板块带入地幔楔，进而影响火山弧岩浆的组成。因此，科学家一直想用Rb同位素来示踪俯冲带流体的活动（Jiang et al., 2024）。但俯冲带流体的Rb同位素组成缺乏约束；在超高压变质过程中，水-岩相互作用会不会造成Rb同位素分馏，也缺乏定量研究。

研究对象

针对以上问题，中国科大黄方教授团队与陈伊翔教授团队合作，选取意大利西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体的含柯石英白片岩及其围岩变花岗岩，开展了系统研究。白片岩是一种典型的超高压变质岩，它的原岩与围岩变花岗岩相同，都是二叠纪花岗岩。在深俯冲过程中，白片岩原岩受到蛇纹岩脱水释放的富Mg流体强烈交代，形成了以镁铝榴石、石英、多硅白云母等为主的白片岩。而围岩变花岗岩仅经历了相同的超高压变质作用，可作为未受显著流体改造的原岩参照。因此，白片岩及变花岗岩是研究俯冲带水-岩相互作用的天然实验室。

研究发现

研究发现，变花岗岩Rb含量高（127–235 μg/g），δ⁸⁷Rb变化范围较小（−0.15 ~ 0.06‰）；而流体交代形成的白片岩Rb含量明显降低（41–201 μg/g），δ⁸⁷Rb变化范围大且整体偏低（−1.06 ~ 0.04‰）（图1a）。其中−1.06‰是迄今陆地岩石中报道的最低δ⁸⁷Rb值。

根据前人研究（Ferrando et al., 2009），白片岩形成过程中的流体作用可分为两个阶段。第一阶段是俯冲进变质阶段。蛇纹岩来源的富Mg流体交代变花岗岩，原岩中的Rb一部分进入新生多硅白云母，其余被流体大量带走。流体优先带走重Rb同位素（⁸⁷Rb），使白片岩的δ⁸⁷Rb与MgO含量呈负相关（图1b）。同时，Ba、Sr、Cs等流体活动性元素也大量丢失。第二阶段是超高压峰期变质阶段。岩石内部脱水产生富集大离子亲石元素（Ba、Sr、Cs）的铝硅酸盐流体。此阶段Rb主要被多硅白云母固定，流体活动对全岩Rb含量和δ⁸⁷Rb值影响有限。但靠近流体通道的强交代岩石，会重新富集部分流体活动性元素，表现为δ⁸⁷Rb与Ba/Ga、Sr/Ga等比值负相关（图2）。

图1. δ⁸⁷Rb与（a）Rb含量和（b）MgO含量的关系。（注：样品13AP58因镁铝榴石及MgO含量异常高，未纳入线性回归分析）

图2. δ⁸⁷Rb与流体活动性元素比值（Ba/Ga、Sr/Ga、Cs/Ga、Cu/Ga）的相关性

为了定量估算流体的Rb同位素组成，研究人员建立了一个端元质量平衡模型。以变花岗岩平均值（δ⁸⁷Rb = −0.09‰，[Rb] = 183 μg/g）为初始值，以两个强交代白片岩为最终产物（δ⁸⁷Rb = −1.06‰，[Rb] = 66 μg/g；δ⁸⁷Rb = −0.60‰，[Rb] = 94 μg/g），估算出极端水-岩作用条件下，岩石与流体之间的分馏系数（Δ⁸⁷Rb_{岩石-流体}）约为−1.53‰至−1.07‰，由于流体隧道化、多期次脉冲及水/岩比变化较大，这个分馏系数不是严格意义上的热力学平衡分馏因子，而是表观分馏系数。同时计算出在极端交代条件下，对应共存流体的δ⁸⁷Rb值约为0.47‰，这表明经历强水-岩相互作用的俯冲带流体具有显著偏重的Rb同位素组成（图3）。

图3. 白片岩形成过程示意图。（a）大洋板片俯冲到Adria板块之下。大洋板片脱出流体与地幔楔反应形成蛇纹岩。（b）大洋完全闭合后，大陆板片开始俯冲，部分地幔楔蛇纹岩被拖曳至弧下深度。蛇纹岩衍生流体与俯冲的大陆地壳反应。（c）流体交代变花岗岩（δ⁸⁷Rb = −0.15‰至0.06‰）形成白片岩（δ⁸⁷Rb = −1.06‰至0.04‰）。在极端水-岩作用条件下，表观分馏系数（Δ⁸⁷Rb_{岩石-流体}）可达−1.53‰至−1.07‰，相应流体的δ⁸⁷Rb值约为0.47‰。

研究意义

本研究的意义在于：①基于天然样品和端元模型，对俯冲带流体Rb同位素组成给出了定量约束，弥补了以往仅依赖弧岩浆反演的不足；②揭示水-岩相互作用是导致Rb同位素显著分馏的重要机制；③为部分弧岩浆异常高的δ⁸⁷Rb提供了流体端元解释；④结合沉积物熔体可产生偏轻Rb同位素信号的认识，为识别弧岩浆源区流体与熔体不同的贡献比例提供了新手段。

本研究表明，流体与岩石相互作用过程中会优先带走重Rb同位素，让流体和残留岩石产生明显的同位素差异。未来，科学家可以利用这一“指纹”，更好地示踪地球深部的流体活动，理解火山弧岩浆的形成和地幔物质循环。

以上成果以“Heavy Rb isotope composition of subduction zone fluids resulting from fluid-rock interaction in continental subduction zones”为题，发表于地球化学领域权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。论文第一作者为浙江水利水电学院陈安霞副教授，通讯作者为中国科大黄方教授，合作者包括中国科大陈伊翔教授、姜鼎盛特任副研究员（现为中国地质大学（武汉）长聘副教授）、德国波鸿鲁尔大学Hans-Peter Schertl教授及浙江水利水电学院杨守臻高级工程师。该研究得到国家自然科学基金项目（42203012、42273043）资助。

论文信息

Anxia Chen, Yi-Xiang Chen, Dingsheng Jiang, Hans-Peter Schertl, Shouzhen Yang, Fang Huang^*. Heavy Rb isotope composition of subduction zone fluids resulting from fluid-rock interaction in continental subduction zones. Geochimica et Cosmochimica Acta. 431: 16–27.

DOI: 10.1016/j.gca.2026.09.010

参考文献

Ferrando, S., Frezzotti, M.L., Petrelli, M., Compagnoni, R., 2009. Metasomatism of continental crust during subduction: The UHP whiteschists from the Southern Dora Maira Massif (Italian Western Alps). J. Metamorph. Geol. 27, 739–756.

Jiang, D.S., Peng, X.T., Xu, W.J., Hu, X., Erdmann, S., Xu, X.S., Zhang, G.L., Pang, C.J., Duan, H.C., Huang, F., 2024. Rubidium isotopes reveal dehydration and melting of the subducting slab beneath the Mariana arc. Earth Planet. Sci. Lett. 646, 118978.

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作者｜陈安霞、黄方

编辑｜赵万成

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