地学前缘EARTH SCIENCE FRONTIERS2000　Vol.7　No.2　P.391-399

壳幔演化和板块俯冲作用过程中的硼同位素示踪

蒋少涌　于际民　凌洪飞　倪培

摘　要：硼同位素是近年来发展起来的一门新兴的稳定同位素地球化学方法。硼有两个稳定同位素：10B和11B。硼同位素组成自然界变化十分大，δ11B值为-37‰～+58‰。对地幔岩石的硼同位素研究表明，原始地幔的δ11B值为-10‰±2‰，B的质量分数估算为(0.25±0.1)×10-6。相对而言，地壳岩石的B含量和δ11B值均较高。由于壳、幔岩石具有不同的B含量和δ11B值，硼同位素已被广泛应用于研究壳幔演化和板块俯冲作用过程，用于示踪俯冲板块中大洋沉积物和蚀变洋壳在地幔中的循环。
关键词：硼同位素；壳幔演化；板块俯冲
中图分类号：P597　文献标识码：A　文章编号：1005-2321(2000)02-0391-09

BORON ISOTOPE AS A TRACER IN THE STUDY OF CRUST-MANTLE EVOLUTION AND SUBDUCTION PROCESSES

JIANG Shao-yong　YU Ji-min　LING Hong-fei　NI Pei
（State Key Laboratory for mineral Deposits Research,Nanjing University,Nanjing 210093,China）

Abstract:Boron isotope method is a recently developed innovative geochemical technique.Boron has two stable isotopes,10B and11B,and its ratio varies a lot in nature (δ11B=-37‰～+58‰).The primitive mantle has a δ11B value of -10‰±2‰ with an estimated B content of (0.25±0.1)×10-6,which is in sharp contrast with the crust rocks of higher B and δ11B values.Boron isotope has already been used in the study of crust-mantle evolution and subduction processes,in particular as a sensitive tracer for the recycling of marine sediments and altered oceanic crust in the deep mantle.
Key words:boron isotope;crust-mantle evolution;subduction processes

　　在稳定同位素地球化学领域，氢、氧、硫、氮等同位素发展较为成熟，并已经广泛应用于解决各类地质问题中。而硼同位素是一门新兴的同位素技术方法，是最近10年来迅速发展起来的。尽管起步较晚，硼同位素已显示出来旺盛的生命力，并在解决许多重大基础地质问题和应用地球化学问题上具有独特的作用。
　　硼的原子序数为5，是稳定同位素地球化学家族中较轻的同位素。硼有两个稳定同位素，10B和11B，其自然界丰度分别为19.9%和80.1%。硼同位素组成自然变化十分大，δ11B值为-37‰～+58‰［1～4］。硼具有十分活泼的地球化学性质，尽管含量不高，但在自然界的分布很广，见于各类固体岩石储库和各类水体中。自然界中，硼没有不同价态的变化，不受氧化还原条件的支配。硼也是自然界中同位素相对质量差最大的元素之一。正是因为上述这些特性，决定了硼同位素地球化学的广阔发展和应用前景。本文侧重介绍近年来硼同位素在壳幔演化和板块俯冲作用中的应用。

1　硼同位素分析方法

　　对自然界硼同位素组成的测量始于20世纪60年代初期［5］。但由于分析测量技术方面的困难，分析精度达不到要求，阻碍了硼同位素地球化学的发展。直至80年代中期，由于方法上的改进和创新，建立起了硼同位素高精度测量方法［6～9］，才使硼同位素有了长足的发展，进入实际地质应用阶段。
　　目前，硼同位素的分析方法主要采用3种方法：(1)正离子热电离质谱法(P-TIMS)［6，7］，分析Cs2BO+2或Rb2BO+2的硼同位素组成。样品必须经过复杂的化学提纯，获得的高纯度B再与Cs或Rb的溶液反应形成硼酸铯或硼酸铷的盐。所需样量一般较高(μg级)，但分析精度很高，达±0.3‰左右。(2)负离子热电离质谱法(N-TIMS)［8，9］，分析BO-2的硼同位素组成。样品一般也需经过化学提纯，但对某些高B含量的样品，如水样，硼酸盐样等可以直接测量。所需样量一般较低(几至几十ng)。分析精度比P-TIMS法稍差，一般为±1.0‰左右。(3)离子探针法［10］，该方法直接对固体样品(岩石或矿物)进行硼同位素测量，无需化学提纯，且可以详细测量矿物不同环带，不同期次的硼同位素组成。但该法的分析精度稍差，一般为±3‰～±5‰左右。
　　类似于其他稳定同位素，硼同位素组成一般用δ11B表示：

δ11B=［N样品(11B)/N样品(10B)］/［N标准(11B)/N标准(10B)］-1

其中，标准为美国国家标准局(NBS)的SRM951硼酸样品。NBS推荐的N(11B)/N(10B)比值为4.043　62±0.001　37［11］。

2　地幔岩石的硼同位素组成

　　大洋中脊玄武岩(MORB)的B的质量分数变化范围为(0.4～4)×10-6［12～15］，其中新鲜的正常大洋中脊玄武岩玻璃的B的质量分数变化较小(0.34～0.72)×10-6。MORB的δ11B变化为-6.5‰～-1.2‰(见图1)，平均值为-3.9‰［16］。


图1　大洋中脊玄武岩(MORB)、洋岛玄武岩(OIB)和弧后盆地玄武岩(BABB)的硼同位素组成对比
Fig.1　Boron isotope compositions of MORB,OIB and BABB

　　洋岛玄武岩(OIB)的B的质量分数为(0.21～2.37)×10-6，其δ11B变化范围稍大，为-14.6‰～+0.6‰(图1)，Chaussidon和Marty(1995)［17］认为这一大的变化范围可能是由于岩石形成后的次生作用造成的，如受到热液蚀变洋壳或海水的混染作用等。他们发现未受混染和蚀变作用的OIB具有十分均一的δ11B值(-9.9‰±1.3‰)和高的N(3He)/N(4He)比值，并由此推测它们可能代表了原始地幔的硼同位素组成(δΒ=-10‰±2‰)。而原始地幔的B质量分数估算值为(0.25±0.1)×10-6。
　　弧后盆地玄武岩(BABB)含明显较高的B，其质量分数为(0.48～17.8)×10-6和δ11B值(-8.0‰～+7.5‰)(图1)，其原因可能是受蚀变洋壳的混染或由于源区俯冲板块物质的加入造成的［3，17，18］。
　　对洋壳岩石的分析表明，蚀变玄武岩(壳层2A)的w(B)=(7.2～104)×10-6，δ11B=-2.5‰～+5.4‰；Troodos和Oman蛇绿岩套中席状岩墙(层2B)的w(B)=(2.4～11)×10-6，δ11B=-1.6‰～+16.9‰；而辉长岩(层3)的w(B)=(1.1～7.1)×10-6，δ11B=-4.3‰～+24.9‰［12，19，20］。这些数据表明洋壳层中，随深度变化B含量呈降低趋势。根据这些数据，Smith等［20］计算出镁铁质洋壳的平均B的质量分数为(5.2±1.5)×10-6，δ11B值为+3.4‰±1.1‰。洋底中蚀变的超基性岩石，如蚀纹石化橄榄岩，由于与海水相互作用，其B含量和δ11B值均较高，w(B)=(50～81)×10-6，δ11B=+8.3‰～+12.6‰［12］。

3　板块俯冲作用和壳源岩石深部循环过程

　　对地幔岩石的硼同位素研究表明，原始地幔的δ11B值为-10‰±2‰，B的质量分数估算为(0.25±0.1)×10-6［17］。相对而言，地壳岩石的B含量和δ11B值均较高［1～3，21］，如现代海洋沉积物δ11B值为-7‰～+11‰，陆相碎屑δ11B值为-13‰～-8‰，海相蒙脱石δ11B值为+2.3‰～+9.2‰，生物成因碳酸盐δ11B值为+8.0‰～+26.2‰，生物成因硅质岩δ11B值为+2.1‰～+4.5‰。古代海相沉积物的δ11B值为-17.0‰～-5.6‰。蚀变洋壳的δ11B值为-5‰～+25‰。海水的δ11B值恒定为+39.5‰。
　　由于壳、幔岩石具有不同的B含量和δ11B值，因此，硼同位素被广泛应用于研究壳幔演化和板块俯冲作用过程，用于示踪俯冲板块中大洋沉积物和蚀变洋壳在地幔中的循环。早期的工作主要应用岛弧火山岩的B含量和w(B)/w(Be),w(B)/w(Nb)等比值来研究这些岩石的成因。发现岛弧火山岩一般含B较高，(5～100)×10-6左右，并且横切岛弧剖面，w(B)/w(Be)和w(B)/w(Nb)等比值系统变化，即从岛弧前缘向弧后方向，这些比值逐步降低(图2)［15，22］，说明在岛弧前缘，大量的硼从向下俯冲的板块中释放出来进入流体相，并对地幔楔进行强烈交代作用，使形成的火山岩含B较高，而向弧后方向，从下插板块中释放出来的硼越来越少，使流体中w(B)/w(Be)，w(B)/w(Nb)等比值急剧下降。
　　为了更好的了解板块俯冲过程中元素硼的地球化学行为，Brenan等［23］开展了B在流体相和矿物间分配系数的测定。实验中所选矿物为下插板块中玄武质岩石中的常见矿物石榴石和单斜辉石。在900　℃和2.0　GPa条件下，B在单斜辉石流体间的分配系数(Kd)约为0.02，比在石榴石流体间分配系数大约100倍。在部分熔融过程中，B-Be,B-Nb等元素对比值在矿物熔体间基本没有发生分异。与之相反，在流体中，这些元素对则存在明显的分异，B大大富集于流体相中。因而，从实验角度证实，岛弧火山岩的w(B)/w(Be)，w(B)/w(Nb)等比值明显高于洋中脊玄武岩(MORB)，是由于前者的形成与板块俯冲作用过程中有流体相参加的结果［13，15，23，24］。计算表明，当板块下插深度在200　km时，脱水残留块体中的w(B)/w(Be)和w(B)/w(Nb)值已降低为初始值的约5%～12%。

图2　板块俯冲过程中形成的岛弧火山岩
w(B)/w(Be),w(B)/w(Nb)等比值
随深度变化示意图
Fig.2　Schematic diagram of w(B)/w(Be) and
w(B)/w(Nb) variations of arc lavas with
depths during subduction processes

　　Palmer［18］首次分析了岛弧火山岩的δ11B值，发现印度尼西亚的Halmahera岛弧火山岩w(B)=(2～32)×10-6，且与Cs含量呈正比关系。δ11B值为-2.3‰～+3.6‰，并与B含量呈正比关系(图3)。因此，这些岛弧火山岩的形成具有两端员混合特征，即一个为低B低δ11B值(＜-4‰)地幔端员，一个为高B高δ11B(＞+4‰)地壳端员。该地壳端员应为向下俯冲的板块携带的蚀变洋壳物质或海洋沉积物，但仅根据δ11B数据还无法判断究竟该端员以何物质为主。


图3　印度尼西亚的Halmahera岛弧火山岩BCs和B11B相关关系图
(据Palmer,1991)
Fig.3　Plots of B versus Cs and B versus　11B of arc lavas from Halmahera,Indonesia

　　将硼同位素数据与铅锶钕同位素数据结合起来研究，则可以有效地判明岛弧火山岩中的壳源物质混染端员的具体成分。例如，Ishikawa和Nakamura［25］对日本lzu岛弧火山熔岩进行的研究表明，该火山岩的δ11B值为+1.2‰～+7.3‰，具有横切岛弧的系统变化趋势，即深度增加，δ11B降低。w(B)/w(Nb)、w(Pb)/w(Nb)和N(207Pb)/N(204Pb)的变化与δ11B值相同(图4)。这些地球化学特征说明该火山岩是两端员混合的产物，一个端员为从俯冲板块释放出来的富含B的流体(slab-derived fluid)，该端员δ11B值估测为+7.4‰，N(207Pb)/N(204Pb)比值估测为15.561；另一端员为类似MORB的亏损地幔(图5)。通过对流体B和Pb的来源计算，结果表明，99%(质量分数)来自蚀变洋壳，只有＜1%(质量分数)来自海洋沉积物(图5)。Ishikawa和Nakamura［25］同时也对日本Setouchi火山岩带中新世的高镁安山岩进行了研究，它具有富含B，Pb，低δ11B值(-6.3‰～-6.8‰)，高N(207Pb)/N(204Pb)比值(15.585～15.599)的特征，计算表明，该火山岩中B，Pb，40%(质量分数)以上来自海洋沉积岩，60%(质量分数)以下来自蚀变洋壳(图5)，与lzu岛弧具有截然不同的物质来源。


图4　日本Izu岛弧火山岩w(B)/w(Nb)，w(Pb)/w(Nb),
δ11B和N(207Pb)/N(204Pb)随俯冲深度变化关系图
(据Ishikawa &Nakamura,1994)
Fig.4　The depth of the subduction zone plotted against w(B)/w(Nb),w(Pb)/w(Nb)，
δ11B and N(207Pb)/N(δ204Pb) of the Izu arc lavas


图5　日本Izu岛弧火山岩δ11Bw(Nb)/w(B)，N(207Pb)/N(204Pb)
w(Nb)/w(Pb)和N(207Pb)/N(204Pb)δ11B相关关系图
(据Ishikawa & Nakamura,1994)
Fig.5　Plots of δ11B versus w(Nb)/w(B),N(207Pb)/N(204Pb) versus w(Nb)/w(Pb) and
N(207Pb)/N(204Pb) versus δ11B of the Izu arc lavas
图中指示出不同端员组分的混合。作为对比，日本Setouchi火山岩带中新世高镁安山岩的数据也投影在图中

　　位于小安德列斯群岛的Martinique岛弧火山岩是大西洋板块向加勒比海俯冲的产物，其B的质量分数为(4.6～53.5)×10-6，δ11B值为-5.3‰～+1.8‰，均低于日本的lzu和印尼的Halmahera岛弧的值，并且δ11B值和B含量之间无相关关系。Smith等［26］提出了两阶段模型来解释该岛弧火山岩的成因。第一阶段，俯冲板块释放的富B流体与上覆地幔楔作用形成岩浆(与lzu和Halmabera岛弧类似)；第二阶段，上升的岩浆再次同化混染沉积物和蚀变洋壳。Smith等(1997)通过综合研究该岛弧火山岩的δ11B值和N(87Sr)/N(86Sr)，N(143Nd)/N(144Nd)值，认为流体中物质来源应包括3个端员组分(图6)，即蚀变洋壳(C)，海相沉积物(MS)和陆源沉积物(CS)。


图6　小安德列斯群岛的Martinique岛弧火山岩δ11B值与N(87Sr)/N(86Sr)和
N(143Nd)/N(144Nd)相关关系图
(据Smith等，1997)
Fig.6　Plots of δ11B versus N(87Sr)/N(86Sr) or N(143Nd)/N(144Nd)
of Martinique arc lavas,Lesser Antilles
(图中曲线及数字代表计算的不同端员组分混合线及混合比例)

　　最近，Leeman和Tonarini［27］报导了太平洋岛弧火山熔岩大的δ11B值变化范围(-10‰～+21‰)，且δ11B值和w(Nb)/w(Yb)值呈反消长关系(图7)。他们认为高正值δ11B样品(低w(Nb)/w(Yb))来源于高度亏损地幔区(highly deplete source)，极易受俯冲板块组分的影响。位于太平洋西北部的Kurile岛弧火山熔岩的B含量为(5.4～48.3)×10-6，δ11B变化范围为-3.8‰～+5.9‰。不同区域样品的δ11B值稍有不同，Kurile岛弧北部，δ11B=+5.4‰±0.5‰，而中南部δ11B=+4.3‰±0.3‰［28］。


图7　太平洋岛弧火山熔岩δ11B与w(Nb)/w(Yb)相关关系图
(据Leeman和Tonarini,1998)
Fig.7　Plot of δ11B versus w(Nb)/w(Yb) of lavas from Pacific arcs

　　在冰岛，拉斑玄武岩中含有橄榄石斑晶(Fo 87～91)和大量原生的玻璃包体，这些包体被认为代表了原始的或近原始的地幔熔体，它们未遭受浅部后生过程的改造。离子探针分析表明，这些熔浆包体的B含量以及w(B)/w(K)比值变化很大(w(B)=(0.18～1.35)×10-6，w(B)/w(K)=2.8×10-4～6.1×10-3)，但δ11B值则十分恒定(-11.3‰±1.9‰)。而玄武质玻璃的B含量和δ11B值则稍有不同，在Hengill区，它们的B含量很低w(B)=(0.26～0.42)×10-6，但δ11B值(-11.3‰±1.3‰)类似于熔岩包体。在Reykjanes区，玄武质玻璃的δ11B值稍高(约-3‰)，但它们的B含量也很低(0.43～0.44)×10-6。Curenko和Chaussidon［29］认为，这可能是在岩浆上侵过程中，受到已遭热液蚀变的地壳岩石混染的结果。
　　对意大利Vulcano地区近代喷发的(1888—1890)La Fossa熔岩的硼同位素研究表明，δ11B变化很小(-3‰～-1.5‰)，B质量分数很高(20～200)×10-6。而年代稍老12×104～＜104 a的基性火山熔岩δ11B变化较大(-11‰～+0.4‰)，并与其他同位素(Sr,Nd,Pb)和元素对比值w(B)/w(La)，w(B)/w(Be)呈线性相关，反映了岩浆源区的混合作用［30］。
　　意大利的Vulsini火山岩区中富钾火山岩橄橄石晶体熔融包裹体的B质量分数高达(60～100)×10-6，是迄今为止发现的最富B的未分异原始岩浆［31］。这些熔浆包体虽具有不同的B，K，Sr和F含量，但这些元素对比值十分恒定，反映了对同一富B，K，Sr和F的地幔源岩不同程度的部分熔融结果。
　　最近，Peacock和Hervig［32］分析了板块俯冲带变质岩中各硅酸盐矿物的硼同位素组成。总的δ11B值变化范围为-10.9‰～-2.7‰。它们比洋壳(-5‰～+25‰)和海洋沉积物(-7‰～+11‰)的δ11B值要低，说明板块向下俯冲伴随的变质脱水作用造成了明显的硼同位素分馏，使水相溶液富11B，而变质板块相对贫11B。产于加州的Franciscan高压蓝片岩中的多硅白云母具有较低的δ11B值(-10.9‰±1.8‰)。该地区镁铁质榴辉岩中未遭受退化变质的原生多硅白云母具有较高的δ11B值(-2.7‰±1.0‰)，而遭受水热退化变质的多硅白云母脉δ11B值下降(-6.7‰±1.9‰)，围绕榴辉岩产出的热液交代形成的阳起石和多硅白云母的δ11B值更低，分别为-7.2‰±3.0‰和-7.0‰±1.7‰。在西阿尔卑斯山的Dora Maira含柯石英榴辉岩中多硅白云母(形成深度h＞90　km)的δ11B值居中(-6.1‰±0.6‰)。产于加州的与俯冲作用有关的变质岩中白云母和角闪石的δ11B值分别为-6.7‰±2.0‰和-3.0‰±3.0‰。而一件蛇纹石样品的δ11B值较低(-10.4‰±1.2‰)［32］。

4　结论

　　综上所述，硼同位素已经成为研究壳幔演化、板块俯冲和岩浆形成及演化过程中十分灵敏的地球化学示踪剂。将硼和硼同位素与其他元素对比值和锶钕铅同位素组成结合起来，可以有效地了解壳幔相互作用过程，示踪壳源物质(如大洋沉积物、蚀变洋壳等)是如何在地幔中循环的。因而这一新的同位素方法具有广阔的应用前景。

基金项目：国家杰出青年科学基金项目（49925306）
作者简介：蒋少涌(1964—　)，男，博士，教授，同位素地球化学专业。
蒋少涌（南京大学 成矿作用国家重点实验室，南京 210093）
于际民（南京大学 成矿作用国家重点实验室，南京 210093）
凌洪飞（南京大学 成矿作用国家重点实验室，南京 210093）
倪培（南京大学 成矿作用国家重点实验室，南京 210093）

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收稿日期：2000-01-12