地球也被稱為“水球”，該稱號不僅源于其表面的汪洋，更因?yàn)樗缫褲B透進(jìn)地球內(nèi)部。地球上地幔與下地幔之間的過渡帶（410-660 km）堪稱地球最神秘的“水庫”。組成地幔過渡帶的特殊礦物—瓦茲利石和林伍德石，具有很強(qiáng)的儲水能力，因此地幔過渡帶就像天然的海綿，理論上能儲存的水量驚人（可能達(dá)到地表海洋總和數(shù)倍之多）。
然而，地球深部水的來源及循環(huán)過程至今仍存謎團(tuán)。有學(xué)者提出深部地幔水可能繼承自地球早期吸積過程的原始物質(zhì)，在地球45億年的演化歷史中基本未曾改變。當(dāng)前學(xué)術(shù)界主流觀點(diǎn)則認(rèn)為大洋板塊俯沖過程能夠?qū)⒌乇硭畟鬏斨恋厍騼?nèi)部，是地球內(nèi)部水的重要來源。水化的大洋巖石圈向地幔深處俯沖時，它就像滿載揮發(fā)分（尤其是水）和流體活動元素（如B、As、Sb）的“專列”，成為地表物質(zhì)進(jìn)入地球內(nèi)部的關(guān)鍵通道。位于大洋巖石圈表層的沉積物和蝕變洋殼中的含水礦物在弧下地幔深度（80-100 km）近乎分解殆盡，其釋放的水交代上覆地幔楔發(fā)生部分熔融形成島弧巖漿。島弧巖漿巖離海溝越遠(yuǎn)，其水和流體活動性元素的含量逐漸降低。那么大洋板片俯沖至超過弧下地幔過渡帶深度時，其所攜帶的水似乎已經(jīng)所剩無幾，它是否還能夠繼續(xù)向地球深部輸送水呢？
地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)海水能夠沿著斷裂（如轉(zhuǎn)換斷層和彎曲斷裂）滲透至大洋板片更深部，引起巖石圈地幔的蛇紋石化。與俯沖板片上部的沉積物和蝕變洋殼相比，巖石圈地幔構(gòu)成板片最深且最冷的區(qū)域，有利于含水礦物的穩(wěn)定。隨后的熱力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)較冷的俯沖板片突破弧下脫水深度時，巖石圈地幔中的蛇紋石能夠轉(zhuǎn)換成致密含水鎂質(zhì)硅酸鹽礦物（DHMS），其所攜帶的水可以繼續(xù)向更深處的地幔過渡帶挺進(jìn)。因此，蛇紋石化的大洋巖石圈地幔具有為地球深部傳輸水的重大“嫌疑”。
地幔柱是地球深部地幔中上升的高溫、低密度物質(zhì)流，通常起源于核幔邊界并受到地幔過渡帶影響，是地球內(nèi)部物質(zhì)和能量傳輸?shù)降乇淼闹匾翱凇Ｉ仙牡蒯Ｖ鶗l(fā)大規(guī)模的巖漿活動，形成大火成巖省，出露地表的巖漿巖是地球內(nèi)部物質(zhì)組成的重要“巖石探針”。硼（B）作為流體活動性元素，在巖漿與變質(zhì)過程中的釋放行為與水的遷移密切相關(guān)。地表儲庫與地幔中的B含量和同位素組成相差甚遠(yuǎn)，例如海水具有較高的B含量（~4.5 ppm）和重B同位素(δ11B ≈ +40‰)組成；而虧損地幔具有非常低的B含量（< 0.1 ppm）和輕B同位素(δ11B = ?7.1 ± 0.9 ‰)組成；海水與巖石圈地幔反應(yīng)形成的蛇紋巖具有高B含量（可高達(dá)100 ppm）和重B同位素（δ11B 可高達(dá)+40‰）組成。基于此，對大火成巖省巖漿巖進(jìn)行B含量和B同位素分析，有望為地球深部水的來源及其循環(huán)過程提供關(guān)鍵線索。
我院教授夏小平聯(lián)合中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐健副研究員、張樂高級工程師、王強(qiáng)研究員、徐義剛研究員等人以及帕多瓦大學(xué)的Omar Bartoli教授選擇峨眉山大火成巖省的玄武巖和苦橄巖為研究對象（圖1），對其開展了高精度的B含量和B同位素、元素和Sr-Nd-Pb同位素分析。
圖1. 華南峨眉山大火成巖省區(qū)域地質(zhì)圖及采樣位置
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，峨眉山玄武巖和苦橄巖總體具有比洋中脊玄武巖（MORB）和洋島玄武巖（OIB）更高的B含量（1-53 ppm）、B/Ce比值（0.02-1.59）和更重的B同位素（δ11B高達(dá) +27.62‰）（圖2a-b），顯示一個虧損B的端元向另一個富集B的端元演化的趨勢（圖2）。前人曾提出，峨眉山地幔柱源區(qū)主要由FOZO型虧損地幔與EM1富集組分（再循環(huán)洋殼+沉積物）組成。該模型雖然可以解釋峨眉山巖漿巖Sr-Nd-Pb同位素組成，但是卻無法解釋其B同位素組成（圖3）。虧損地幔以低B/Ce（0.05–0.14）和δ11B為特征；而經(jīng)歷強(qiáng)烈脫水的深俯沖洋殼，亦具有虧損B的特征（δ11B = ~-12‰，120 km）；俯沖沉積物的δ11B值范圍為?20‰至?2‰。因此，峨眉山大火成巖省地幔源區(qū)需存在一個富水且具有高δ11B值和高硼含量的附加端元組分。
圖2. 峨眉山大火成巖省苦橄巖和玄武巖B含量、B/Ce比值與δ11B組成
圖3. 峨眉山大火成巖省苦橄巖和玄武巖B-Sr-Nd-Pb同位素組成
該富水端元組分應(yīng)具有高B/Ce（> 1.59）和δ11B (> +27.62‰)，而此特征與大洋板片蛇紋巖來源的流體組成非常類似。在排除巖漿后期蝕變、巖石圈地幔與地殼混染等一系列可能影響后，研究團(tuán)隊(duì)提出峨眉山苦橄巖與玄武巖如此重的B同位素組成指示其地幔源區(qū)存在大洋板片蛇紋巖來源的流體貢獻(xiàn)。進(jìn)一步的質(zhì)量平衡模擬表明，峨眉山大火成巖省源區(qū)板片蛇紋巖流體貢獻(xiàn)最高可達(dá)5%（圖2b和3）。值得注意的是，峨眉山大火成巖省樣品的B-Sr-Nd-Pb同位素組成、B/Ce比值均與La/Yb比值呈現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)性，指示地幔源區(qū)的不均一性控制了大火成巖省巖漿巖的元素和同位素組成（圖4）。蛇紋巖來源的流體在地幔柱內(nèi)部的分布顯示出強(qiáng)烈的不均一性：那些相對含水的地幔區(qū)域會經(jīng)歷較高程度的部分熔融，導(dǎo)致虧損地幔難熔組分被更多地熔融，所產(chǎn)生的熔體因此具有更高的δ11B、B/Ce、143Nd/144Nd和206Pb/204Pb比值以及更低的87Sr/86Sr和La/Yb比值（圖4）；相反，相對干的地幔區(qū)域會經(jīng)歷較低程度的熔融，富集易熔組分在熔體中占主導(dǎo)，這些熔體具有更低的δ11B、B/Ce、143Nd/144Nd和206Pb/204Pb比值以及更高的87Sr/86Sr和La/Yb比值（圖4）。
圖4. 峨眉山大火成巖省苦橄巖和玄武巖B-Sr-Nd同位素、B/Ce比值與La/Yb比值相關(guān)性
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料以及本次研究結(jié)果，對地球深部水循環(huán)過程進(jìn)行了重建。晚古生代，古特提斯洋板片經(jīng)歷了漫長（奧陶紀(jì)-三疊紀(jì)）的冷俯沖過程（圖5），為大洋板片蛇紋巖進(jìn)入深部地幔創(chuàng)造了良好條件。雖然，俯沖板片在弧下地幔深度曾經(jīng)歷了強(qiáng)烈的脫水過程，并在華南西南部形成了大規(guī)模的島弧巖漿作用，但是其較冷的板片結(jié)構(gòu)使其底部的巖石圈地幔蛇紋巖在更高的壓力下向DHMS轉(zhuǎn)變，并將水和流體活動性元素傳輸至地幔過渡帶，這使得華南板塊之下的地幔過渡帶在中/晚二疊世已經(jīng)富水或者局部富水（圖5）。上升的峨眉山地幔柱在穿過地幔過渡帶時，會夾帶其含水物質(zhì)，并最終通過大火成巖省將水再循環(huán)至地表（圖5）。
圖5. 晚二疊世板塊重建與地球深部水循環(huán)過程示意圖
本研究成果近期在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Communications Earth & Environment》。本研究得到了中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)（XDB0840300），國家自然科學(xué)基金(42202051, 42473060），廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2024A04J4831)和中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。第一作者徐健副研究員是夏小平教授早年培養(yǎng)的博士研究生。
論文信息：Xu Jian (徐健)*, Xia Xiao-Ping (夏小平)*, Bartoli Omar, Zhang Le (張樂), Wang Yong (王勇), Ma Jin-Long (馬金龍), Cui Ze-Xian (崔澤賢), Zhang Yan-Qiang (張彥強(qiáng)), Yang Qing (楊晴), Wang Qiang (王強(qiáng)), Xu Yi-Gang (徐義剛), 2025. Heavy boron isotopes in plume-derived magmas trace recycled water in deep-mantle reservoir. Communications Earth & Environment 6, 593.
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s43247-025-02596-4
