水对大陆地壳部分熔融形成花岗岩至关重要，但其具体来源尚不清楚。靠近海沟的弧岩浆中的水主要来自于俯冲板块的脱水作用。然而，这一机制在解释陆内岩浆的形成时遇到了挑战，因为远离俯冲带的陆内区域难以直接获得来自俯冲板块的水。华北克拉通内部在晚中生代时形成了大量的花岗岩，是研究陆内花岗岩中水来源的理想地区（图1）。
图1 中国东部和辽东半岛区域地质构造和花岗岩分布
近日，我院夏小平教授联合中国科学院广州地化所徐义刚院士团队的博士后杨传茂以及中国科学院地质与地球物理所杨进辉研究员等，对华北克拉通东北部辽东半岛侏罗纪-早白垩世的多个花岗岩体的磷灰石、黑云母和角闪石以及早白垩世义县组玄武岩的磷灰石行了H同位素测定。结果表明早白垩世的花岗岩（δD为-203‰至-127‰）和玄武岩（δD为-197‰至-107‰）中的磷灰石显示出极低的δD值，这与侏罗纪花岗岩中相对较高的δD值（-137‰至-47‰）形成鲜明对比。这些磷灰石在结构和化学成分上均未显示出蚀变的特征，另外结合磷灰石单矿物与锆石中磷灰石包裹体中几乎相同的挥发份含量以及含水矿物的H同位素组成排除了磷灰石结晶后脱气和蚀变对H同位素组成的显著影响（图2），因而磷灰石H同位素代表了初始熔体的H同位素组成。
图2 花岗岩磷灰石单矿物和锆石中磷灰石包裹体挥发份含量以及磷灰石和含水矿物的H同位素组成
侏罗纪和早白垩世花岗岩为壳幔岩浆混合成因，其H同位素也继承了地壳和地幔的H同位素组成。两个时期的花岗岩具有共同的大陆地壳端元，而地幔端元截然不同（图3）。相比于侏罗纪，早白垩世花岗岩中包含了极低δD值的交代地幔组分。因板片俯冲脱水过程中，D倾向于进入板片脱出的流体中，使得随着俯冲深度增加，板片的δD值不断降低，在地幔过渡带可能出现极低的δD值。相比于侏罗纪花岗岩，早白垩世花岗岩和玄武岩磷灰石的偏低的H同位素组成指示早白垩世岩浆中的水来源于更深的俯冲板片，可能有地幔过渡带的贡献。从侏罗纪到早白垩世H同位素组成的变化与古太平洋板块俯冲作用密切相关。古太平洋板块在侏罗纪沿岩石圈底部前进俯冲，温度相对较低，板片在浅部脱水量较少，相对较高δD的水被带入深部，释放之后交代上覆地幔并进入地壳，形成相对富集D的花岗岩（图4）。到早白垩世，板块转变为后退俯冲，俯冲角度增大，俯冲板片进入地幔过渡带，在其上方形成了大地幔楔，导致地幔过渡带中水上升到浅部交代岩石圈地幔，并最终流入地壳形成晚中生代花岗岩（图4）。
图3 花岗岩磷灰石H同位素和氧同位素相关图解
图4 侏罗纪和早白垩世花岗岩成因模式图
这项研究不仅为华北克拉通内部花岗岩中水的深部起源提供了证据，丰富了对花岗岩形成机制的认识，而且展示了磷灰石H同位素在示踪地球内部水循环方面的巨大潜力。此外，这项工作还提供了一个可验证模型，更大时空范围的花岗岩和玄武岩H同位素的研究可对该模型做进一步约束。
相关成果近期发表于《Nature Communications》。杨传茂为文章第一作者，徐义刚院士和夏小平教授为通讯作者。该项研究成果获得了国家自然科学基金（42288201，42130304）和中国科学院广州地球化学研究所所长基金（2022SZJJT-04）等项目的联合资助。
论文信息：Chuan-Mao Yang（杨传茂），Yi-Gang Xu*（徐义刚），Xiao-Ping Xia*（夏小平），Jin-Hui Yang（杨进辉），Xiao-Long Huang（黄小龙），Christopher J. Spencer，Jin-Feng Sun（孙金凤），Qing Yang（杨晴），2024. Light δD apatites reveal deep origin water in North China Craton intracontinental granites and basalts. Nature Communications 15, 8727.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53133-4
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