地球也被称为“水球”，该称号不仅源于其表面的汪洋，更因为水早已渗透进地球内部。地球上地幔与下地幔之间的过渡带（410-660 km）堪称地球最神秘的“水库”。组成地幔过渡带的特殊矿物—瓦兹利石和林伍德石，具有很强的储水能力，因此地幔过渡带就像天然的海绵，理论上能储存的水量惊人（可能达到地表海洋总和数倍之多）。
然而，地球深部水的来源及循环过程至今仍存谜团。有学者提出深部地幔水可能继承自地球早期吸积过程的原始物质，在地球45亿年的演化历史中基本未曾改变。当前学术界主流观点则认为大洋板块俯冲过程能够将地表水传输至地球内部，是地球内部水的重要来源。水化的大洋岩石圈向地幔深处俯冲时，它就像满载挥发分（尤其是水）和流体活动元素（如B、As、Sb）的“专列”，成为地表物质进入地球内部的关键通道。位于大洋岩石圈表层的沉积物和蚀变洋壳中的含水矿物在弧下地幔深度（80-100 km）近乎分解殆尽，其释放的水交代上覆地幔楔发生部分熔融形成岛弧岩浆。岛弧岩浆岩离海沟越远，其水和流体活动性元素的含量逐渐降低。那么大洋板片俯冲至超过弧下地幔过渡带深度时，其所携带的水似乎已经所剩无几，它是否还能够继续向地球深部输送水呢？
地质学家发现海水能够沿着断裂（如转换断层和弯曲断裂）渗透至大洋板片更深部，引起岩石圈地幔的蛇纹石化。与俯冲板片上部的沉积物和蚀变洋壳相比，岩石圈地幔构成板片最深且最冷的区域，有利于含水矿物的稳定。随后的热力学模拟和实验结果表明：当较冷的俯冲板片突破弧下脱水深度时，岩石圈地幔中的蛇纹石能够转换成致密含水镁质硅酸盐矿物（DHMS），其所携带的水可以继续向更深处的地幔过渡带挺进。因此，蛇纹石化的大洋岩石圈地幔具有为地球深部传输水的重大“嫌疑”。
地幔柱是地球深部地幔中上升的高温、低密度物质流，通常起源于核幔边界并受到地幔过渡带影响，是地球内部物质和能量传输到地表的重要窗口。上升的地幔柱会引发大规模的岩浆活动，形成大火成岩省，出露地表的岩浆岩是地球内部物质组成的重要“岩石探针”。硼（B）作为流体活动性元素，在岩浆与变质过程中的释放行为与水的迁移密切相关。地表储库与地幔中的B含量和同位素组成相差甚远，例如海水具有较高的B含量（~4.5 ppm）和重B同位素(δ11B ≈ +40‰)组成；而亏损地幔具有非常低的B含量（< 0.1 ppm）和轻B同位素(δ11B = −7.1 ± 0.9 ‰)组成；海水与岩石圈地幔反应形成的蛇纹岩具有高B含量（可高达100 ppm）和重B同位素（δ11B 可高达+40‰）组成。基于此，对大火成岩省岩浆岩进行B含量和B同位素分析，有望为地球深部水的来源及其循环过程提供关键线索。
我院教授夏小平联合中国科学院广州地球化学研究所徐健副研究员、张乐高级工程师、王强研究员、徐义刚研究员等人以及帕多瓦大学的Omar Bartoli教授选择峨眉山大火成岩省的玄武岩和苦橄岩为研究对象（图1），对其开展了高精度的B含量和B同位素、元素和Sr-Nd-Pb同位素分析。
图1. 华南峨眉山大火成岩省区域地质图及采样位置
研究团队发现，峨眉山玄武岩和苦橄岩总体具有比洋中脊玄武岩（MORB）和洋岛玄武岩（OIB）更高的B含量（1-53 ppm）、B/Ce比值（0.02-1.59）和更重的B同位素（δ11B高达 +27.62‰）（图2a-b），显示一个亏损B的端元向另一个富集B的端元演化的趋势（图2）。前人曾提出，峨眉山地幔柱源区主要由FOZO型亏损地幔与EM1富集组分（再循环洋壳+沉积物）组成。该模型虽然可以解释峨眉山岩浆岩Sr-Nd-Pb同位素组成，但是却无法解释其B同位素组成（图3）。亏损地幔以低B/Ce（0.05–0.14）和δ11B为特征；而经历强烈脱水的深俯冲洋壳，亦具有亏损B的特征（δ11B = ~-12‰，120 km）；俯冲沉积物的δ11B值范围为−20‰至−2‰。因此，峨眉山大火成岩省地幔源区需存在一个富水且具有高δ11B值和高硼含量的附加端元组分。
图2. 峨眉山大火成岩省苦橄岩和玄武岩B含量、B/Ce比值与δ11B组成
图3. 峨眉山大火成岩省苦橄岩和玄武岩B-Sr-Nd-Pb同位素组成
该富水端元组分应具有高B/Ce（> 1.59）和δ11B (> +27.62‰)，而此特征与大洋板片蛇纹岩来源的流体组成非常类似。在排除岩浆后期蚀变、岩石圈地幔与地壳混染等一系列可能影响后，研究团队提出峨眉山苦橄岩与玄武岩如此重的B同位素组成指示其地幔源区存在大洋板片蛇纹岩来源的流体贡献。进一步的质量平衡模拟表明，峨眉山大火成岩省源区板片蛇纹岩流体贡献最高可达5%（图2b和3）。值得注意的是，峨眉山大火成岩省样品的B-Sr-Nd-Pb同位素组成、B/Ce比值均与La/Yb比值呈现系统的相关性，指示地幔源区的不均一性控制了大火成岩省岩浆岩的元素和同位素组成（图4）。蛇纹岩来源的流体在地幔柱内部的分布显示出强烈的不均一性：那些相对含水的地幔区域会经历较高程度的部分熔融，导致亏损地幔难熔组分被更多地熔融，所产生的熔体因此具有更高的δ11B、B/Ce、143Nd/144Nd和206Pb/204Pb比值以及更低的87Sr/86Sr和La/Yb比值（图4）；相反，相对干的地幔区域会经历较低程度的熔融，富集易熔组分在熔体中占主导，这些熔体具有更低的δ11B、B/Ce、143Nd/144Nd和206Pb/204Pb比值以及更高的87Sr/86Sr和La/Yb比值（图4）。
图4. 峨眉山大火成岩省苦橄岩和玄武岩B-Sr-Nd同位素、B/Ce比值与La/Yb比值相关性
研究团队结合区域地质资料以及本次研究结果，对地球深部水循环过程进行了重建。晚古生代，古特提斯洋板片经历了漫长（奥陶纪-三叠纪）的冷俯冲过程（图5），为大洋板片蛇纹岩进入深部地幔创造了良好条件。虽然，俯冲板片在弧下地幔深度曾经历了强烈的脱水过程，并在华南西南部形成了大规模的岛弧岩浆作用，但是其较冷的板片结构使其底部的岩石圈地幔蛇纹岩在更高的压力下向DHMS转变，并将水和流体活动性元素传输至地幔过渡带，这使得华南板块之下的地幔过渡带在中/晚二叠世已经富水或者局部富水（图5）。上升的峨眉山地幔柱在穿过地幔过渡带时，会夹带其含水物质，并最终通过大火成岩省将水再循环至地表（图5）。
图5. 晚二叠世板块重建与地球深部水循环过程示意图
本研究成果近期在线发表于国际学术期刊《Communications Earth & Environment》。本研究得到了中国科学院先导专项（XDB0840300），国家自然科学基金(42202051, 42473060），广州市基础与应用基础研究项目(2024A04J4831)和中国科学院广州地球化学研究所所长基金等项目的联合资助。第一作者徐健副研究员是夏小平教授早年培养的博士研究生。
论文信息：Xu Jian (徐健)*, Xia Xiao-Ping (夏小平)*, Bartoli Omar, Zhang Le (张乐), Wang Yong (王勇), Ma Jin-Long (马金龙), Cui Ze-Xian (崔泽贤), Zhang Yan-Qiang (张彦强), Yang Qing (杨晴), Wang Qiang (王强), Xu Yi-Gang (徐义刚), 2025. Heavy boron isotopes in plume-derived magmas trace recycled water in deep-mantle reservoir. Communications Earth & Environment 6, 593.
文章链接：https://doi.org/10.1038/s43247-025-02596-4
