俯冲背景下的弧岩浆作用通常通过两种主要的方式产出（Nielson et al., 2020）：（1）经典的交代地幔楔熔融模型，即来自于俯冲大洋岩石圈上产生的沉积物熔体、流体或者洋壳熔/流体向上迁移渗透与上覆地幔楔发生混合交代作用，从而产生弧岩浆；（2）混杂岩模型“Mélange model”，即沉积物、蚀变洋壳和地幔岩发生物理混合形成混杂岩，其整体发生底劈，进而部分熔融形成弧岩浆。由于都有沉积物和熔流体物质的参与，往往都具有相似的微量元素特征，即我们所谓的“弧特征”—富集的大离子亲石元素和轻稀土元素特征，亏损的Nb、Ta、Zr和Hf等，以及高的放射性⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值以及低的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值”。在实际的研究中，仅凭这些弧岩浆的微量元素和放射性特征在示踪其起源方式时常常会产生模棱两可的解释，很难判断其成因过程：熔体交代地幔楔模型 vs. 混杂岩模型？

最新的“Ba-Mg同位素”研究发现，在俯冲带环境下，远洋沉积物（δ^138/134Ba = -0.2 to +0.1‰）、海水（δ^138/134Ba = +0.3 to +0.6‰）、和蚀变洋壳（δ^138/134Ba = +0.03 to +0.4‰）以及地幔（δ^138/134Ba = +0.03 to +0.15‰）具有完全不同的Ba同位素组成（Nielson et al., 2020）。而Mg同位素研究结果显示：俯冲沉积物（特别是含碳酸盐岩沉积物）往往具有较轻的Mg同位素组成（Teng et al., 2017; Li et al., 2017; Wang et al., 2018），蚀变洋壳和蛇纹岩化橄榄岩却常常具有较重的Mg同位素组成（δ²⁶Mg can up to +0.03‰, Liu et al., 2017）。Wu et al. (2020)将Ba同位素与放射性的Sr和Pb同位素联合应用于示踪Tonga-Kermadec弧岩浆中的沉积物熔体和蚀变洋壳流体组分。Hao et al. (2020)将Ba和Mg同位素联合应用于早古生代镁铁质弧岩浆岩的成因示踪，成功识别出秦岭造山带早古生代富水镁铁质侵入岩的“Mélange”成因属性，其Ba-Mg同位素都指示了源区中不同比例沉积物、蚀变洋壳和蛇纹岩化橄榄岩的参与。然而，Ba-Mg同位素联合使用是否可以有效示踪熔体交代地幔楔模型的弧岩浆成因过程呢？

针对上述科学问题，西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室 岩石学与地幔地球化学团队赖绍聪教授课题组的朱韧之副教授，与中国科学技术大学黄方教授和朴茨茅斯大学Mike教授合作，其他合作者包括朴茨茅斯大学Craig教授，法国布列塔尼-伊洛斯海洋地球科学实验室的Emilie博士，中国地质科学院地质研究所的尹继元研究员，本团队的陈立辉教授和王小均副教授，以全球最典型的具有连续分异演化特征的高Ba-Sr侵入岩为研究对象，这些岩石与太古代赞岐岩具有完全一致的地球化学特征（Fowler and Rollinson，2012），我们利用非传统Ba和Mg稳定同位素对苏格兰加里东期高Ba-Sr侵入岩进行精细的Ba-Mg同位素示踪研究。我们选择了两组（Rogart vs. Strontian）具有相似弧岩浆微量元素地球化学特征，却具有不同Sr-Nd-O同位素组成的高Ba-Sr岩浆岩，Strontian样品具有相对亏损的Sr-Nd同位素组成，Rogart具有相对富集的Sr-Nd同位素组成，其岩性都是富闪深成岩和花岗闪长岩。

图 1 俯冲带 Ba-Mg同位素主要储库及苏格兰早古生代高Ba-Sr侵入岩Ba-Mg同位素组成特征。

图 2 苏格兰古生代高Ba-Sr侵入岩及类似弧岩浆岩Ba-Mg同位素组成与放射性Sr同位素和O同位素组成协变演化图。

研究结果表明（图 1）：这两组样品的Ba和Mg同位素组成与Si、Mg含量和放射性Sr-Nd同位素没有规律性的演化关系，说明其并不受岩浆演化过程和后期同化混染等过程的影响。Strontian样品具有相对集中且与地幔值近似的Ba（δ^138/134Ba = -0.05 to +0.23 ‰）和Mg（δ²⁶Mg = -0.30 to -0.25 ‰）同位素组成，具有和Tonga和Ryukyu弧相似的Ba-O同位素组成和放射性Sr同位素组成（图2），其低的Ce/Pb比值和Ba/La比值，指示了俯冲板片熔体交代的特征。Rogart样品具有相对轻的Ba（δ^138/134Ba = -0.19 to +0.03 ‰）和Mg（δ²⁶Mg = -0.42 to -0.23 ‰）同位素组成，这与俯冲沉积物储库的Ba-Mg同位素特征完全一致，且具有高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值和重的O同位素组成，微量元素特征显示出明显高的Rb、Ba含量，高的Ce/Pb和Th/Yb比值以及低的Ba/La比值。通过多种端元的Ba-Sr和Ba-O同位素模拟计算结果显示，只需要小于2-3%的沉积物熔体交代地幔楔熔融就能产生具有Strontian特征的高Ba-Sr弧岩浆岩，而需要约5-10%的俯冲沉积物熔体交代地幔楔熔融就能产出具有Rogart特征的高Ba-Sr弧岩浆岩（图2）。

研究还发现，这套苏格兰加里东期古生代的高Ba-Sr侵入岩具有与秦岭造山带富水镁铁质侵入岩完全不同的Ba-Mg同位素特征，前者代表了典型俯冲沉积物熔体交代地幔楔橄榄岩部分熔融的弧岩浆产物，后者则代表了典型混杂岩部分熔融的弧岩浆产物。这说明Ba-Mg同位素联合使用可以有效示踪俯冲带弧岩浆成因过程。

图 3 全球花岗岩类Ba-Sr含量演化图及高Ba-Sr花岗岩占比（数据具Gard et al. 2019）。

根据已有研究，这些起源于交代地幔源区的岩浆产物也代表了地壳的生长过程（Gómez-Frutos et al., 2023），显然，如果把所有由交代地幔源区起源的岩浆产物也算作新的地壳生长，那之前所认为的地壳生长被低估了（Scott, 2023）。那么具有这一特征的太古代赞岐岩也可能代表了早期地球的地壳生长。我们统计了全球具有类似地球化学特征的，由交代地幔楔部分熔融形成的岩石样品，即同时具有高放射性Sr-Nd同位素组成、重的O同位素组成特征和高Ba-Sr等弧岩浆特征的样品—赞岐岩型的岩浆岩，可能都起源于受熔体交代的地幔楔，这些样品占花岗岩类的约12-13.8%（图 3）。意味着可能有至少12%的花岗岩类并不代表地壳物质的重熔再造，而是代表了新的地壳生长。

本研究受国家自然科学基金（41802054 & 42172056）、英国皇家学会国际合作交流项目（IES\R3\213093）和西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室学科团队建设项目联合资助。

详细文章信息及相关参考文献见原文：

Zhu, R.Z., Fowler, M., Huang, F., Bruand, E., Wang, X. J., Chen, L.H., Craig S., Yin, J.Y., & Lai, S.C. (2024). Barium-Mg isotopes in high Ba-Sr granites record a melt-metasomatized mantle source and crustal growth. Geochimica et Cosmochimica Acta. 379, 124–133. https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.07.004