新聞動態(tài)陳晨等-NC：地殼增厚對弧巖漿Li的資源富集效應
中國科學院廣州地球化學研究所和Rice University（萊斯大學）聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生陳晨在萊斯大學Cin-Ty A. Lee教授和中國科學院大學孫衛(wèi)東研究員的指導下對全球尺度內的弧巖漿進了地球化學大數據研究，研究發(fā)現(xiàn)弧巖漿中Li的富集主要來自地殼加厚導致的地幔楔熔融程度降低及殼內巖漿演化程度的提升，而來自俯沖板片的貢獻非常有限。相關研究成果10月20日于《Nature Communications》在線發(fā)表。
鋰（Li）作為新能源材料中的關鍵元素，因其潛在的地緣政治風險而被定義為關鍵戰(zhàn)略性金屬。對于地球科學家而言，了解Li在地質過程中的遷移和富集的機制是一項同時具有科學和社會經濟學意義的挑戰(zhàn)。
鋰是流體活動性元素，在巖石風化過程中, 礦物中的Li元素隨著降水、河流遷移至低洼的盆地、湖泊，或匯入大洋；巖石風化形成的粘土礦物中也不同程度的吸附了這些被淋濾出的Li。長期以來，學界一直猜想大洋板片及其上覆黏土沉積物在俯沖脫水過程中將釋放大量的Li，俯沖脫水形成的熔/流體攜帶著Li進入地幔楔，使得弧巖漿富集了Li。
圖1 俯沖帶Li的循環(huán)
然而，不同的地化工具在驗證這一假說時卻得到了并不一致的結論。俯沖帶廣泛存在高Li/Y的巖漿巖，暗示俯沖物質為弧巖漿提供了大量的Li；而弧巖漿的Li同位素信號（d7Li）卻與地幔值基本一致，未出現(xiàn)俯沖輸入物質的信號。陳晨及其合作者利用GeoRoc“大數據”數據庫對全球現(xiàn)今活動的巖漿弧的地球化學數據進行了統(tǒng)計。結果顯示，初始弧巖漿的Li含量并不高，與不受俯沖影響的洋中脊玄武巖具有相似的含量；而Li/Y的比值也是如此。這表明俯沖板片貢獻的Li非常有限，俯沖輸入并非弧巖漿Li富集的控制因素。通過進一步的研究, 他們發(fā)現(xiàn)Li/Y在巖漿演化過程中會發(fā)生分異。這解釋了前人研究中弧巖漿巖具有異常高的Li/Y比值的原因。
圖2 初始弧巖漿Li含量、Li/Y比值 vs. 巖漿弧的地殼厚度
圖3 Li/Y比值在殼內巖漿演化過程中的分異，樣品按計算所得的地殼厚度分為0-25km, 25-50km和50-75km三組
更為有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)初始弧巖漿的Li含量與地殼厚度具有正相關性。在現(xiàn)今活動的弧地殼厚度范圍內，厚?。ù箨懟。绨驳谒梗┏跏紟r漿的Li含量較薄?。◢u弧，如伊豆群島）可高出一倍。而其他不相容元素也存在類似的現(xiàn)象，這被解釋為地殼增厚抑制了地幔楔的熔融程度，促使了初始弧巖漿中不相容元素含量的升高。
而巖漿的殼內分異演化也可極大地助力Li的富集。Li在巖漿結晶過程中更傾向于進入熔體，因而隨著巖漿的結晶，分異程度越高巖漿Li越富集。而受初始巖漿中Li含量差異的影響，在相近演化程度下，厚的弧始終較薄弧要具高的Li含量。
圖4 殼內演化過程中，作為不相容元素的Li逐漸富集，F(xiàn)為巖漿結晶分異過程中的殘余熔體分數
文章提出地殼的增厚, 可以同時減小地幔楔的熔融程度，和促進巖漿在地殼內的分異。前者使Li在初始弧巖漿中更加富集, 而后者為Li在殼內的演化富集提供了的額外加成。地殼較厚的成熟大陸弧因而較地殼較薄的島弧更富集Li元素。
圖5 地殼增厚對巖漿演化及Li富集的影響
具有厚地殼的巖漿造山帶提供了形成鹽湖鹵水型鋰礦床的一系列條件: 有料（富Li的噴出巖）、有盆（陸內盆地）、有氣候（高海拔干燥）。陸表的巖石經受風化、剝蝕, 地下水將巖石中的Li再次淋濾而出，并匯聚于盆地之中，在干旱的氣候之下, 濃縮為富Li的鹵水, 從而形成鹽湖鹵水型鋰礦床。如南美的安第斯山、中國的青藏高原都發(fā)育有豐富的鹽湖鹵水型鋰礦床。青藏高原是我國珍貴的戰(zhàn)略資源寶庫。
圖6 鋰資源世界分布圖，藍色點為鹽湖鹵水型鋰礦
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19106-z
?。ㄖ袊茖W院礦物學與成礦學重點實驗室 & 科技與規(guī)劃處 供稿）
