中国科学院地球化学研究所（以下简称地化所）近期的研究结果表明地表碳酸盐可以携带重硼同位素特征进入板内玄武岩地幔源区。相关成果近日已发表在国际科技期刊Science Advances上。
挥发分是维持生命活动以及地球宜居性的关键要素，不同圈层间的挥发分循环控制了地球宜居环境的形成与演化。俯冲带是表生圈层的挥发分进入地球内部的主要纽带。然而，板块在俯冲过程中的脱挥发分会抑碳等挥发分大量进入深部地幔，阻碍了地球深部圈层和地表圈层之间的挥发分循环。
硼是一种具有强流体活动性的中等挥发性元素，已有研究表明，硼及其同位素组成（δ11B）是示踪挥发分等地表物质再循环的有效工具。然而，由于大洋玄武岩在喷发过程中很容易受到海水混染以及海底蚀变的影响，前人的研究发现大洋玄武岩硼同位素的原始信号，尤其是再循环挥发分的信号，可能已经被海水所赋予的信号所掩盖。因此，在洋岛玄武岩中，很少能观察到硼同位素与反映地幔特征的其它地球化学指标之间存在明显的相关性。这使得我们对于包括硼在内的地表挥发分能否显著再循环进入深部地幔仍存在较大的不确定性。已有的研究认为板内玄武岩的重硼同位素特征可能来源于再循环蚀变洋壳或俯冲沉积物的脱水流体，亦有研究认为蛇纹岩流体可能也起到了重要贡献。尽管表生碳酸盐也具有重的硼同位素组成，但是关于碳酸盐能否将重硼同位素带入深部地幔仍旧不清楚。
地化所徐荣副研究员和中国科学院南京地质古生物研究所蔡悦研究员联合国内外相关合作者，运用新兴的高精度硼同位素分析技术，对中国东南沿海浙江地区两组比较原始的新生代板内玄武岩开展了系统研究。
图1. 硼同位素与其它地球化学指标的关系。
研究结果表明硼同位素与其它地球化学指标之间存在较好的相关性（图1），指示地幔源区存在三个端元组分的贡献：其中最轻的硼同位素端元反映了早先经历过显著脱水的洋壳组分；另一个轻硼同位素端元则指示交代的大陆岩石圈地幔组分。有趣的是，两类玄武岩存在一个共同的重硼同位素端元。结合其普遍低的B/Ce比值，作者经过系统分析认为，这一重硼同位素端元并非源于富硼流体的贡献，即该重硼同位素信号不是俯冲洋壳/沉积物脱水过程中释放的流体，也不同于前人所提出的来自具有重硼特征蛇纹岩流体的解释。
鉴于重硼同位素端元与碳酸盐相关地球化学指标之间存在良好的亲缘性，作者进一步提出，这一特征主要反映了再循环地表碳酸盐的贡献。该研究还论证了地表碳酸盐可以携带重硼同位素信号至地幔过渡带深度（410-660 km），进而被板内玄武岩、深源火成碳酸岩，甚至可能被超深金刚石所记录（图2）。这一发现为理解包含挥发分在内的俯冲物质的深部地幔再循环过程提供了新的认识。
图2. 俯冲进入深部地幔以及再循环到地表过程中硼同位素行为示意图。
研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划课题以及中国科学院战略性先导专项课题等项目的资助。
论文信息：Xu R*（徐荣），Cai Y*（蔡悦），Lambart S，Chen C（陈春飞），ZhangJB（张军波），Zhou MF（周美夫），Liu J（刘佳），Bai Z（柏中杰），Wu T（吴涛），Huang F（黄丰），Ruan T（阮婷），Liu Y（刘勇胜）. Heavy boron isotopes in intraplate basalts reveal recycled carbonate in the mantle. Science Advances. 2025, 11(17).
论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads5104.
（矿床室 徐荣/供稿）