水對大陸地殼部分熔融形成花崗巖至關重要，但其具體來源尚不清楚?？拷系幕』◢弾r中的水主要來自于俯沖板塊的脫水作用。然而，這一機制在解釋陸內花崗巖的形成時遇到了挑戰，因為遠離俯沖帶的陸內區域難以直接獲得來自俯沖板塊的水。華北克拉通作為一個典型案例，其內部在晚中生代時形成了大量的花崗巖，是研究陸內花崗巖中水來源的理想地區（圖1）。
圖1 中國東部和遼東半島區域地質構造和花崗巖分布
近日，中國科學院廣州地化所徐義剛院士團隊的楊傳茂博士后等，聯合長江大學夏小平教授和中國科學院地質地球所楊進輝研究員等，對華北克拉通東北部遼東半島侏羅紀-早白堊世的多個花崗巖體的磷灰石、黑云母和角閃石以及早白堊世義縣組玄武巖的磷灰石行了H同位素測定。結果表明早白堊世的花崗巖（δD為-203‰至-127‰）和玄武巖（δD為-197‰至-107‰）中的磷灰石顯示出極低的δD值，這與侏羅紀花崗巖中相對較高的δD值（-137‰至-47‰）形成鮮明對比。這些磷灰石在結構和化學成分上均未顯示出蝕變的特征，另外結合磷灰石單礦物與鋯石中磷灰石包裹體中幾乎相同的揮發份含量以及含水礦物的H同位素組成排除了磷灰石結晶后脫氣和蝕變對H同位素組成的顯著影響（圖2），因而磷灰石H同位素代表了初始熔體的H同位素組成。
圖2 花崗巖磷灰石單礦物和鋯石中磷灰石包裹體揮發份含量以及磷灰石和含水礦物的H同位素組成
侏羅紀和早白堊世花崗巖為殼幔巖漿混合成因，其H同位素也繼承了地殼和地幔的H同位素組成。兩個時期的花崗巖具有共同的大陸地殼端元，而截然不同的地幔端元（圖3）。相比于侏羅紀，早白堊世花崗巖中包含了極低δD值的交代地幔組分。因板片俯沖脫水過程中，D傾向于進入板片脫出的流體中，使得隨著俯沖深度增加，板片的δD值不斷降低，在地幔過渡帶可能出現極低的δD值。相比于侏羅紀花崗巖，早白堊世花崗巖和玄武巖磷灰石的偏低的H同位素組成指示早白堊世巖漿中的水來源于更深的俯沖板片，可能有地幔過渡帶的貢獻。從侏羅紀到早白堊世H同位素組成的變化與古太平洋板塊俯沖作用密切相關。古太平洋板塊在侏羅紀沿巖石圈底部前進俯沖，溫度相對較低，板片在淺部脫水量較少，相對較高δD的水被帶入深部，釋放之后交代上覆地幔并進入地殼，形成相對富集D的花崗巖（圖4）。到早白堊世，板塊轉變為后退俯沖，俯沖角度增大，俯沖板片進入地幔過渡帶，在其上方形成了大地幔楔，導致地幔過渡帶中水上升到淺部交代巖石圈地幔，并最終流入地殼形成晚中生代花崗巖（圖4）。
圖3 花崗巖磷灰石H同位素和氧同位素相關圖解
圖4 侏羅紀和早白堊世花崗巖成因模式圖
這項研究不僅為華北克拉通內部花崗巖中水的深部起源提供了證據，豐富了對花崗巖形成機制的認識，而且展示了磷灰石H同位素在示蹤地球內部水循環方面的巨大潛力。此外，這項工作還提供了一個可驗證模型，更大時空范圍的花崗巖和玄武巖H同位素的研究可對該模型做進一步約束。
相關成果近期發表于《Nature Communications》。楊傳茂為文章第一作者，徐義剛和夏小平為通訊作者。該項研究成果獲得了國家自然科學基金和中國科學院廣州地球化學研究所所長基金等項目的聯合資助。
論文信息：Chuan-Mao Yang（楊傳茂），Yi-Gang Xu*（徐義剛），Xiao-Ping Xia*（夏小平），Jin-Hui Yang（楊進輝），Xiao-Long Huang（黃小龍），Christopher J. Spencer，Jin-Feng Sun（孫金鳳），Qing Yang（楊晴），2024. Light δD apatites reveal deep origin water in North China Craton intracontinental granites and basalts. Nature?Communications?15,8727.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53133-4
附件下載：