钾同位素在俯冲带流体活动过程中可以产生显著的同位素分馏，具有示踪俯冲带流体运移的潜力。然而俯冲带流体的钾同位素组成仍缺乏系统研究。基于该科学问题，中国科学院海洋研究所孙卫东研究员团队选取了典型的俯冲带超钾质岩石开展了钾同位素研究，结果显示超钾质岩石具有重于亏损地幔的钾同位素组成，并且与流体活动指标具有正相关，表明超钾质岩石的源区存在具有重钾同位素组成流体的加入，有效证实了板片分异流体具有重钾同位素组成。该成果近日发表在国际地学期刊Lithos上。

该项研究综合分析了秦岭超钾质岩石的岩相学、全岩主微量元素和钾同位素特征。岩相学观察表明超钾质岩石主要由角闪石、黑云母、碱性长石、斜长石和石英组成。主微量元素特征显示样品具有高的氧化锰（MgO）含量和高的相容元素（如Sc、Cr、Ni）含量，并且样品具有高的Ba/Nb、La/Nb等比值，表明样品来自于富集的岩石圈地幔。样品富集流体活动性元素（如K、Ba、Pb、Li），亏损高场强元素（如Nb、Th），表明样品源区存在板片分异流体的贡献。样品具有高的Dy/Yb、La/Yb和高的K/(Yb*1000)比值，结合模拟表明样品为石榴石相角闪石二辉橄榄岩地幔低程度部分熔融形成的，源区深度>70-80 km。

超钾质岩石样品的钾同位素组成变化范围δ41K为-0.57~ -0.06‰，平均为-0.34±0.25‰，并且，大部分样品具有重于亏损地幔（-0.44±0.17‰）和大陆上地壳（-0.44±0.05‰）的K同位素组成。超钾质岩石样品钾同位素组成与主量元素无明显相关性，但与K/Th、Ba/Th、Ba/Rb比值具有较好的正相关。由于在岩浆分异过程中K同位素分馏尺度有限，因此研究认为超钾质岩石的钾同位素特征可能反应了地幔源区的特征。前期的研究表明板片分异流体的具有重的钾同位素组成，因此，超钾质岩石重的钾同位素组成可能反映了板片分异流体的交代。研究进一步模拟了板片流体交代亏损地幔的过程，结果显示<10%的流体混合可以获得超钾质岩石偏重的钾同位素组成。

三叠纪华南与华北板块的碰撞导致大陆地壳发生深俯冲，在超高压条件下，多硅白云母可以发生脱水分解，并产生富钾的熔体或超临界流体。因此，白云母脱水分解形成的富钾熔流体交代岩石圈可能是形成宝鸡超钾质岩石地幔源区的成因。早侏罗世南秦岭和华南之间持续挤压导致走滑断裂，这可能导致热的软流圈地幔上涌，触发交代岩石圈地幔的最终熔化，并形成宝鸡超钾质岩石。

结合已发表数据，本研究指出俯冲带沉积物可以携带具有轻钾同位素组成的物质进入深部地幔，而俯冲带熔流体则倾向于将富集重钾同位素组成的物质输送至岩石圈地幔。因此，钾同位素体系具有示踪俯冲带水岩过程和物质循环的潜力。

上述研究得到了中国科学院先导项目、国家自然科学基金和博士后基金等的联合资助。论文第一作者为中国科学院海洋所深海中心博士后刘海洋，通讯作者为刘海洋、薛颖瑜。

相关成果论文题目及发表链接如下：

Liu Haiyang., Xue Ying.-Yu., Wang Kun., Sun Wei.-Dong. and Wang Kun. (2021) Contributions of slab-derived fluids to ultrapotassic rocks indicated by K isotopes. Lithos 396-397, 106202.

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0024493721002383