水對大陸地殼部分熔融形成花崗巖至關(guān)重要，但其具體來源尚不清楚。靠近海溝的弧花崗巖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(nèi)花崗巖的形成時遇到了挑戰(zhàn)，因為遠離俯沖帶的陸內(nèi)區(qū)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(nèi)部在晚中生代時形成了大量的花崗巖，是研究陸內(nèi)花崗巖中水來源的理想地區(qū)（圖1）。

圖1 中國東部和遼東半島區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和花崗巖分布

近日，中國科學(xué)院廣州地化所徐義剛院士團隊的楊傳茂博士后等，聯(lián)合長江大學(xué)夏小平教授和中國科學(xué)院地質(zhì)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(jì)-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(jié)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(jì)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(jié)構(gòu)和化學(xué)成分上均未顯示出蝕變的特征，另外結(jié)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(fā)份含量以及含水礦物的H同位素組成排除了磷灰石結(jié)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(fā)份含量以及磷灰石和含水礦物的H同位素組成

侏羅紀(jì)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(jì)，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(xiàn)極低的δD值。相比于侏羅紀(jì)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(jì)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(guān)。古太平洋板塊在侏羅紀(jì)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(zhuǎn)變?yōu)楹笸烁_，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(dǎo)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(guān)圖解

圖4 侏羅紀(jì)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(nèi)部花崗巖中水的深部起源提供了證據(jù)，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(nèi)部水循環(huán)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(guān)成果近期發(fā)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(xué)基金和中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長基金等項目的聯(lián)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