黃方 于慧敏 南曉云 古曉鋒 吳非 肖子聰 白瑞霞 方林茹

鋇(Ba)的研究要從了解Ba的元素性質(zhì)開始。Ba是第六周期第二主族的堿土金屬元素，是大離子親石元素。Ba的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，在自然界中沒有發(fā)現(xiàn)Ba單質(zhì)。自然界中Ba的主要礦物為重晶石(BaSO4)和毒重石(BaCO3)。球粒隕石和硅酸鹽地球的平均Ba含量分別為2.41×10-6和 6.60×10-6(McDonough and Sun, 1995)。Ba在地幔部分熔融過程中呈現(xiàn)高度不相容的特征，會(huì)優(yōu)先進(jìn)入到熔體相，因此強(qiáng)烈富集于地殼中(McDonough and Sun, 1995)。大陸上地殼的平均Ba含量為628×10-6(Rudnick and Gao, 2014)，大洋沉積物的平均Ba含量為786×10-6(Plank, 2014)。Ba是流體活動(dòng)性元素(Kesseletal., 2005)，在俯沖過程中容易隨著流體遷移進(jìn)入地幔之中(Morris and Ryan, 2003)。由于地殼和地幔之間Ba含量存在明顯差異，Ba元素可以用來示蹤俯沖物質(zhì)再循環(huán)相關(guān)過程(Elliottetal., 1997; Murphyetal., 2002; Pearce and Stern, 2006; Kuritanietal., 2011)。此外，海洋沉積物中生物成因的Ba濃度與有機(jī)物含量密切相關(guān)，因此生物重晶石是重建海洋古生產(chǎn)力的重要指標(biāo)(Dehairsetal., 1980; Dymondetal., 1992; Paytan and Kastner, 1996; Eagleetal., 2003)。

Ba有七個(gè)穩(wěn)定同位素：130Ba(0.106%)、132Ba(0.101%)、134Ba(2.417%)、135Ba(6.592%)、136Ba(7.854%)、137Ba(11.23%)和138Ba(71.7%)(Eugsteretal., 1969)。其中，130Ba和132Ba形成于質(zhì)子捕獲過程(p-process)，134Ba和136Ba形成于慢中子捕獲過程(s-process)，135Ba、137Ba和138Ba形成于快中子(r-process)和慢中子捕獲過程。少量135Ba和138Ba分別由滅絕核素135Cs(t1/2=2.3×106yr, Hidakaetal., 2003)和長半衰期核素138La(t1/2=1.0×1011yr, Norman and Nelson, 1983; Nir-El, 1997)衰變產(chǎn)生。早期由于儀器和分析方法的局限性，Ba穩(wěn)定同位素的研究受到限制。隨著多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)的廣泛應(yīng)用，高精度的Ba同位素測量得以實(shí)現(xiàn)(Horneretal., 2015; Miyazakietal., 2014; Nanetal., 2015; von Allmenetal., 2010)，Ba同位素研究由此進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，并逐漸成為新的同位素地球化學(xué)工具。

Ba同位素組成表示方式與其它穩(wěn)定同位素一樣，采用δ值表示：δX/134Ba=[(X/134Ba)樣品/(138/134Ba)標(biāo)樣-1]×103(其中X為137或138)。為了便于不同實(shí)驗(yàn)室之間更直觀的進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，目前國際上普遍使用的Ba同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)研制的SRM3104a。如無特殊說明，在下文中Ba同位素組成統(tǒng)一表示為δ138/134Ba。目前自然樣品和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示在低溫環(huán)境和流體作用中Ba同位素可以發(fā)生明顯的分餾(Nanetal., 2015, 2018; Bullen and Chadwick, 2016; van Zuilenetal., 2016; B?ttcheretal., 2018a, b; Caoetal., 2021; Gongetal., 2019, 2020; Linetal., 2020)，陸殼和海洋的Ba同位素組成存在顯著差異(Hsieh and Henderson, 2017; Nanetal., 2018)，海底蝕變過程也會(huì)產(chǎn)生明顯的Ba同位素分餾(Nielsenetal., 2018)。而在高溫環(huán)境下的地幔部分熔融、基性和中性巖漿演化過程Ba同位素分餾有限。由于地表樣品具有較大的Ba同位素組成變化范圍，且明顯區(qū)別于虧損地幔組成(δ138/134Ba=0.05±0.05‰，2SD，Nanetal., 2022)，當(dāng)高Ba含量的地殼物質(zhì)俯沖進(jìn)入地幔時(shí)，將可能影響地幔的Ba同位素組成。因此，幔源巖漿巖的Ba同位素可以示蹤地殼物質(zhì)的再循環(huán)作用(Nielsenetal., 2018; Lietal., 2020; Wuetal., 2020; Zhaoetal., 2021; Baietal., 2022; Haoetal., 2022; Nanetal., 2022; Shuetal., 2022; Xuetal., 2022; Yuetal., 2022)。

本文主要回顧了Ba同位素在地幔地球化學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展以及存在的問題。介紹了Ba同位素分析方法、理論計(jì)算、重要地質(zhì)儲(chǔ)庫的Ba同位素組成，并綜述了Ba同位素在大洋玄武巖和變質(zhì)巖相關(guān)研究中的成果及存在爭議，期望引起大家對(duì)這個(gè)新興同位素體系的重視，共同推進(jìn)Ba同位素的深入研究。

1 Ba同位素的分析方法

1.1 樣品前處理

國內(nèi)外少數(shù)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)不同類型的地質(zhì)樣品已經(jīng)建立了Ba同位素分析方法，在樣品溶解和化學(xué)提純的具體方法上略有差別。在進(jìn)行同位素測量時(shí)，樣品中殘留的雜質(zhì)離子可能會(huì)對(duì)Ba同位素信號(hào)產(chǎn)生干擾，因此必須首先對(duì)自然樣品進(jìn)行前處理。硅酸鹽類巖石樣品通常通過氫氟酸-硝酸-鹽酸高溫消解法溶解(Nanetal., 2015, 2018)，Ba的化學(xué)提純采用離子交換層析法。根據(jù)Ba和其它元素與樹脂親和能力的差異(Strelow, 1960; Strelowetal., 1965)，使用陽離子交換樹脂和稀鹽酸(2～3mol/L)淋洗出雜質(zhì)元素，再用濃鹽酸(6mol/L HCl)或硝酸(2～4mol/L)接取Ba以實(shí)現(xiàn)Ba的有效分離。淋洗酸的濃度和用量與不同實(shí)驗(yàn)室所采用的樹脂以及樣品性質(zhì)都有關(guān)系。常用的樹脂包括AG50W-X12(Nanetal., 2015, 2018; Gou and Deng, 2019; Tianetal., 2019, 2020; Zengetal., 2019)、AG50W-X8(Horneretal., 2015; Bullen and Chadwick, 2016; van Zuilenetal., 2016; Hsieh and Henderson, 2017; Charbonnieretal., 2020; Linetal., 2020; Yuetal., 2020; Caoetal., 2021; Chengetal., 2022)，或Dowex50W-X8(Pretetetal., 2015)。重Ba同位素相比輕Ba同位素優(yōu)先從樹脂柱中淋洗出來(Kondohetal., 1996)，因此需保證化學(xué)純化全流程Ba的回收率接近100%，以避免化學(xué)分離造成的Ba同位素分餾，這就需要嚴(yán)格選擇樹脂、柱子及淋洗酸，保證化學(xué)淋洗曲線對(duì)不同類型的樣品都具有普適性。這個(gè)原則對(duì)于在提純之后添加雙稀釋劑的樣品測量尤為重要(Nanetal., 2018)。

1.2 質(zhì)譜分析

在早期研究中，Ba 同位素組成主要通過熱電離質(zhì)譜(TIMS)測得。Nier (1938)首次用TIMS確定了Ba的穩(wěn)定同位素組成。由于分析技術(shù)和方法的局限性，當(dāng)時(shí)精度并不高。Eugsteretal. (1969)首次采用雙稀釋劑法，將Ba同位素測量精度提升至1‰，但仍無法識(shí)別天體和地球樣品之間存在的Ba同位素組成差異。21世紀(jì)以來，von Allmenetal. (2010)首次使用MC-ICP-MS分析Ba同位素，不僅縮短了測量時(shí)間，并且大幅度提高了Ba同位素測量精度。隨后，多種基于MC-ICP-MS的Ba同位素分析方法先后建立并趨于成熟(Horneretal., 2015; Nanetal., 2015, 2018; van Zuilenetal., 2016; Gou and Deng, 2019; Tianetal., 2019, 2020; Linetal., 2020; Zengetal., 2019; Yuetal., 2020; Caoetal., 2021; Chengetal., 2022)。利用MC-ICP-MS分析Ba同位素過程中儀器產(chǎn)生的質(zhì)量歧視效應(yīng)可以采用三種方法校正，包括樣品-標(biāo)樣間插法(standard-sample bracketing, SSB)、元素外標(biāo)法(如Ce，element-doping)和雙稀釋劑法(double-spike)。Nanetal. (2015)和Nanetal. (2018)分別用SSB法和Ce元素外標(biāo)法實(shí)現(xiàn)了Ba同位素的高精度測量，δ137/134Ba測量精度好于0.05‰(2SD)。通過向樣品中加入一定量的已知同位素比值的雙稀釋劑，能夠很好的消除儀器質(zhì)量分餾，從而獲得準(zhǔn)確的Ba同位素組成。目前絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室使用雙稀釋劑法校正儀器的分餾效應(yīng)，國內(nèi)多個(gè)高校已經(jīng)利用MC-ICP-MS獲得高精度的Ba同位素?cái)?shù)據(jù)，例如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(圖1)、西北大學(xué)和廈門大學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的δ138/134Ba的長期外部精度都好于0.05‰(2SD)(Tianetal., 2020; Caoetal., 2021; Chengetal., 2022)。此外，van Zuilenetal. (2016)和 Linetal. (2020)在TIMS上使用雙稀釋劑法也建立了Ba同位素分析方法。其中，前者實(shí)驗(yàn)室長期外部精度δ137/134Ba為±0.05‰(2SD)，后者長期精度δ138/134Ba可達(dá)±0.05‰(2SD)。

圖1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)金屬穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)標(biāo)USTC-Ba的δ138/134Ba長期外部精度好于0.05‰Fig.1 The external precision of δ138/134Ba based on the long-term measurements of the in-house standard (USTC-Ba) in USTC is better than 0.05‰ (2SD)

2 Ba同位素分餾機(jī)理

理解Ba同位素的分餾機(jī)理是運(yùn)用Ba同位素解決地質(zhì)問題的前提。根據(jù)同位素分餾理論，同位素分餾過程包括質(zhì)量相關(guān)分餾和非質(zhì)量相關(guān)分餾。目前暫未見有關(guān)Ba同位素非質(zhì)量相關(guān)分餾現(xiàn)象的報(bào)道。Wangetal. (2021)利用Dirac-Hartree-Fock 理論計(jì)算了Ba2+與Ba0間核體積效應(yīng)控制的Ba同位素平衡分餾，發(fā)現(xiàn)核體積效應(yīng)對(duì)Ba同位素而言影響很小。因此，可認(rèn)為地幔中Ba同位素主要發(fā)生質(zhì)量相關(guān)的分餾。平衡分餾系數(shù)是最為關(guān)鍵的參數(shù)，它不僅直接控制了平衡分餾過程，還可以用來識(shí)別非平衡過程。目前已經(jīng)對(duì)礦物-礦物、礦物-流體、熔體-流體間的Ba同位素平衡分餾系數(shù)進(jìn)行了第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究(Guoetal., 2020; Wangetal., 2021; Xiaoetal., 2021)。

2.1 第一性原理計(jì)算

第一性原理計(jì)算常指基于量子力學(xué)基本原理與密度泛函理論的計(jì)算。它不引入任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，完全“從頭計(jì)算”物質(zhì)的各種性質(zhì)，可以模擬廣泛的溫壓條件，且結(jié)果準(zhǔn)確可靠。利用第一性原理進(jìn)行理論計(jì)算可以給出可靠的同位素平衡分餾系數(shù)，在諸多同位素體系中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用(Balteretal., 2013; Ducheretal., 2016; Fujiietal., 2013, 2014; Méheut and Schauble, 2014; Qinetal., 2016; Schauble, 2011; Wangetal., 2017a)。本文不贅述理論計(jì)算同位素分餾的原理與細(xì)節(jié)，僅簡述其主要過程。首先通過第一性原理計(jì)算得到物質(zhì)的聲子譜(Baronietal., 2001)，再將聲子譜代入U(xiǎn)rey公式(Bigeleisen and Mayer, 1947; Urey, 1947)計(jì)算“約化配分函數(shù)比(Reduced Partition Function Ratio, RPFR)”。約化配分函數(shù)比常以β表示，大多數(shù)第一性原理計(jì)算同位素分餾的文獻(xiàn)中都會(huì)將這一參數(shù)作為關(guān)鍵的計(jì)算結(jié)果展示。讀者在使用時(shí)只需將兩相的約化配分函數(shù)比做商，即可得到兩相間的同位素平衡分餾系數(shù)α。α，β，以及同位素組成的δ-Δ表示之間的關(guān)系為：

ΔA-B=δA-δB≈103lnαA-B=103lnβA-103lnβB

(1)

圖2 微量Ba替換硅酸鹽礦物中特定元素(括號(hào)中為替換的元素)時(shí)的平衡分餾系數(shù)Fig.2 Equilibrium Ba isotope fractionation factors between silicate minerals where trace amount of Ba substitutes the given element (in bracket)

在地幔礦物中，Ba以微量元素形式存在。模擬Ba濃度較低的礦物需要構(gòu)建較大的超晶胞，但計(jì)算量會(huì)隨著晶胞變大而快速增長，目前用第一性原理直接模擬自然界中Ba的真實(shí)濃度還很困難，也沒有相關(guān)的報(bào)道。在同為第二主族元素的Ca和Mg同位素體系中，可能存在影響同位素平衡分餾系數(shù)的“濃度效應(yīng)”(Fengetal., 2014; Wangetal., 2017b; Lietal., 2019; Songetal., 2019)。礦物中元素的同位素分餾系數(shù)受到該元素濃度的影響，但當(dāng)元素濃度低于某一閾值后，其同位素平衡分餾系數(shù)受濃度的影響消失。基于這一規(guī)律，Xiaoetal. (2021)計(jì)算了白云母、金云母、透閃石、富鉀角閃石、鉀長石、鈉長石、綠簾石等硅酸鹽礦物中Ba取代相關(guān)位點(diǎn)后的Ba同位素平衡分餾系數(shù)，并驗(yàn)證了各個(gè)礦物的成分效應(yīng)，進(jìn)而找到了低濃度的閾值，最終得到了可以代表自然界微量Ba含量的硅酸鹽礦物的簡約配分函數(shù)比(圖2)。

圖3 流體和硅酸鹽熔體之間的Ba同位素平衡分餾系數(shù)(Δ138/134Ba流體-熔體)與溫度(700～900℃)(a)，流體鹽度(b)和熔體鋁過飽和指數(shù)(ASI)(c)之間的關(guān)系(據(jù)Guo et al., 2020修改)Fig.3 Equilibrium isotope fractionation (Δ138/134BaFLUID-MELT) of Ba between aqueous fluid and silicate melt as a function of temperature from 700 to 900℃ (a), salinity of the fluid (b) and ASI of the melt (c) (modified after Guo et al., 2020)

與礦物不同，流體并沒有一個(gè)穩(wěn)定的周期性結(jié)構(gòu)，計(jì)算流體中的Ba同位素平衡分餾系數(shù)更為困難。Wangetal. (2021)基于第一性原理分子動(dòng)力學(xué)，用含有1個(gè)Ba原子，2個(gè)Cl原子，70個(gè)水分子的立方晶胞模擬了溶液中Ba2+的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并從第一性原理分子動(dòng)力學(xué)的原子軌跡中采取了121個(gè)“截圖”，分別計(jì)算了簡約配分函數(shù)比，最終得到了水溶液中Ba2+離子的平均簡約配分函數(shù)比。將所有礦物與溶液的簡約配分函數(shù)比放在一起對(duì)比，可以得到礦物-礦物之間、礦物與流體之間的Ba同位素平衡分餾系數(shù)。整體上來講，計(jì)算得到的Ba同位素的平衡分餾系數(shù)表現(xiàn)出如下規(guī)律：

(1)簡約配分函數(shù)比由力常數(shù)決定，而力常數(shù)受到Ba-O鍵長和配位數(shù)的影響，較重的Ba同位素易富集在具有較短平均Ba-O鍵長的相中。

(2)毒重石的簡約配分函數(shù)比與水溶液中的Ba2+相似。

(3)微量Ba的簡約配分函數(shù)比受到所占據(jù)位點(diǎn)的控制。替換的離子半徑越大，越容易富集輕的Ba同位素；替換相同離子半徑時(shí)，礦物中所占據(jù)位點(diǎn)的力常數(shù)越大，越容易富集重Ba同位素。

(4)目前的分析精度可以鑒別Ba同位素平衡分餾，1000K下1000lnβ間的差異可達(dá)0.2‰。

2.2 實(shí)驗(yàn)測量熔體與流體間的Ba同位素平衡分餾

自然界中熔體的成分更為復(fù)雜，且計(jì)算熔體簡約配分函數(shù)比的方法還不成熟，因此目前僅通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究熔體相關(guān)的Ba同位素平衡分餾系數(shù)。Guoetal. (2020)利用冷封式高壓釜(cold seal pressure vessels)測定了不同化學(xué)組成的硅酸鹽熔體與水溶液流體間的Ba同位素平衡分餾系數(shù)。其結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)的溫壓條件(700～900℃，200MPa)下，1000lnα流體-熔體落在-0.62‰～-0.14‰內(nèi)，指示硅酸鹽熔體中析出流體時(shí)，流體富集較輕的Ba同位素(圖3)。時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了Ba同位素平衡狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的。據(jù)此可以獲得流體與熔體間Ba同位素平衡分餾隨溫度與熔體/流體成分的變化公式：

Δ138/134BaFluid-Melt(‰)=-14.96±3.32-(18221013±

0.062)Cl+(0.699±0.155)ASI

(2)

式中，T是開氏溫度(K)，Cl是流體中(Na, K)Cl的摩爾濃度，ASI是熔體的鋁指數(shù)。

圖4 不同地質(zhì)儲(chǔ)庫的Ba同位素組成主要參考文獻(xiàn)：Horner et al., 2015; Cao et al., 2016; Bates et al., 2017; Hsieh and Henderson, 2017; Bridgestock et al., 2018; Nan et al., 2018, 2022; Nielsen et al., 2018; Gou et al., 2020; Li et al., 2020; Nielsen et al., 2020; Wu et al., 2020; Deng et al., 2021, 2022; Zhao et al., 2021; Bai et al., 2022; Fang et al., 2022; Xu et al., 2022; Yu et al., 2022Fig.4 Isotope compositions of Ba in different reservoirs

3 重要儲(chǔ)庫

厘定不同儲(chǔ)庫的Ba同位素組成是開展Ba同位素地球化學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。以下對(duì)隕石、地幔、陸殼、洋殼等不同儲(chǔ)庫的Ba同位素組成做了系統(tǒng)概述(圖4)。

3.1 隕石的Ba同位素組成

隕石中的Ba同位素研究始于Umemoto (1962)和Eugsteretal. (1969)，后者測量了6個(gè)石隕石和2個(gè)鐵隕石中硅酸鹽包體，得出隕石和地球的Ba同位素豐度的差異小于0.1%。然而，后來的研究表明，不同類型的地外物質(zhì)(例如前太陽系碳化硅顆粒、鈣鋁難熔包體、球粒隕石等)存在不同程度的Ba同位素比值的差異，這些差異表征了太陽系物質(zhì)的起源和混合過程。地外物質(zhì)Ba同位素的研究能夠?yàn)橐恍╆P(guān)鍵科學(xué)問題提供線索，例如不同核合成過程的貢獻(xiàn)大小、核素進(jìn)入太陽星云的時(shí)間以及太陽系物質(zhì)均一化的時(shí)間和程度等。

前太陽系碳化硅顆粒集合體的Ba同位素組成具有很大的異常，其δ135/136Ba(相對(duì)于太陽系Ba同位素組成)可達(dá)-400‰，顯示出s-過程核素富集的特征，反映了其起源于漸近巨星分支(Savinaetal., 2003; Marhasetal., 2007;vilaetal., 2013; Liuetal., 2014)。碳化硅顆粒的存在致使碳質(zhì)球粒隕石的酸瀝濾殘余富集s-過程Ba同位素(Hidakaetal., 2003; Hidaka and Yoneda, 2011)。然而，碳質(zhì)球粒隕石的Ba同位素異常仍具有一定的爭議(Carlsonetal., 2007; Ranen and Jacobsen, 2006)。Ranen and Jacobsen (2006)發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)球粒隕石137Ba/136Ba和138Ba/136Ba比地球分別高25×10-6和60×10-6。然而，Carlsonetal. (2007)的研究發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)球粒隕石具有更高的135Ba/136Ba(12×10-6～58×10-6)和137Ba/136Ba(高達(dá)32×10-6)，但其δ138/136Ba和地球值在測量精度范圍內(nèi)是一致。Andreasen and Sharma (2007)也發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢，碳質(zhì)球粒隕石的137Ba和135Ba分別超出地球39×10-6和22×10-6。Charbonnieretal. (2018)認(rèn)為Ranen and Jacobsen (2006)的結(jié)果可能是TIMS分析過程中儀器質(zhì)量分餾校正偏差所致。因?yàn)槠洇?37Ba/μ135Ba比值為0.52±0.21，與理論上r-過程所限定的二者的比值0.47非常接近(Arlandinietal., 1999; Charbonnieretal., 2018)，碳質(zhì)球粒隕石中超出的135Ba/136Ba和137Ba/136Ba被認(rèn)為是r-過程核素富集所致。然而，Berminghametal. (2016)使用氣動(dòng)懸浮和CO2激光加熱方法氧化碳化硅顆粒使其能夠完全溶解，得出了更小的135Ba和137Ba的異常，因此認(rèn)為碳質(zhì)球粒隕石超出的135Ba起源于前太陽系顆粒不均衡的分布以及少量放射性成因135Ba。太陽系最先凝聚的固體——難熔鈣鋁包體(CAIs)也具有r-過程Ba同位素富集的特征，這被認(rèn)為是多種type II超新星物質(zhì)注入太陽星云(Brenneckaetal., 2013)的結(jié)果。除核合成異常之外，短周期核素135Cs衰變也可能是CAIs中135Ba富集的原因(Berminghametal., 2014)。

普通球粒隕石、頑火輝石球粒隕石以及無球粒隕石中均未發(fā)現(xiàn)Ba同位素異常(Berminghametal., 2016)。然而，受限于分析精度以及較低的Ba含量，隕石中的穩(wěn)定Ba同位素組成少有報(bào)道(Charbonnieretal., 2018)。Moynieretal. (2015)使用標(biāo)樣-樣品間插法分析了7個(gè)隕石全巖樣品(2個(gè)碳質(zhì)球粒隕石、3個(gè)普通球粒隕石、1個(gè)頑火輝石球粒隕石和1個(gè)鈣長輝長無球粒隕石)，發(fā)現(xiàn)它們與地球樣品具有相同的Ba同位素組成。然而，3個(gè)Allende碳質(zhì)球粒隕石中的CAIs具有輕的Ba同位素組成(δ138/137Ba=-0.6‰)而基質(zhì)則富集重的Ba同位素(δ138/137Ba=+0.2‰)。

除Ba外，CAIs同樣具有富集Eu、Sr和Ca的輕同位素，而這些元素的共同特征是具有低的第一電離勢，而電磁場分選可能是CAIs虧損這些元素重同位素的原因(Moynieretal., 2015)。為了獲得更精確的隕石Ba同位素?cái)?shù)據(jù)，F(xiàn)angetal. (2022)使用雙稀釋劑法測定了12個(gè)球粒隕石(5個(gè)碳質(zhì)球粒隕石、4個(gè)普通球粒隕石、2個(gè)頑火輝石球粒隕石以及1個(gè)R球粒隕石)，其結(jié)果與Moynieretal. (2015)在誤差范圍內(nèi)一致，但具有更高的精度(二者δ137/134Ba外部可重復(fù)性分別是0.04‰和0.24‰)。由于Ba是難熔親石元素，不易受到行星形成過程中蒸發(fā)和行星分異過程成核作用的影響，球粒隕石的Ba同位素組成能夠代表整體地球和全硅酸鹽地球的值?！鞍l(fā)現(xiàn)型”隕石(不能與目擊墜落事件相關(guān)連的隕石)比“降落型”隕石(與隕星目擊墜落事件相關(guān)的隕石)更易受到地球風(fēng)化的影響(Weisbergetal., 2006)，而未受到地球風(fēng)化的球粒隕石具有一致的Ba同位素組成(δ137/134Bachondrite average=0.09±0.09‰)，和用于估計(jì)全硅酸鹽地球的洋中脊玄武巖以及碳酸巖的Ba同位素組成(Nielsenetal., 2018; Lietal., 2020; Nanetal., 2022)相一致。碳質(zhì)球粒隕石中具有小的同位素分異(δ137/134Ba=-0.01‰～+0.12‰, Fangetal., 2022)，其中CV和CO球粒隕石的Ba同位素組成受控于CAIs的模式豐度，而CI和CM的Ba同位素組成略輕，可能是母體受到水化改造所致。

3.2 地幔的平均Ba同位素組成

地幔是重要的Ba儲(chǔ)庫，為了研究地幔地球化學(xué)相關(guān)問題，需要厘定地幔的Ba同位素組成。由于地幔橄欖巖中Ba含量極低，分析困難，目前尚無地幔橄欖巖的Ba同位素?cái)?shù)據(jù)報(bào)道?，F(xiàn)有的工作主要是針對(duì)幔源巖漿巖開展(Nielsenetal., 2018; Lietal., 2020; Nanetal., 2022)。洋中脊玄武巖(MORB)是軟流圈地幔低比例部分熔融的產(chǎn)物(Zindler and Hart, 1986)，是制約上地幔Ba同位素組成以及巖漿演化過程中Ba同位素分餾行為的主要對(duì)象。Nielsenetal. (2018)報(bào)道了21件來自大西洋洋中脊、東太平洋海隆、胡安·德富卡洋中脊和印度洋中脊采集的MORB的Ba同位素組成，其δ138/134Ba變化范圍為0.02‰～0.15‰，平均值為0.07±0.08‰(2SD, n=22)。由于Ba的高度不相容性特征，他們基于最虧損的MORB樣品的平均值，估計(jì)虧損MORB地幔(DMM)的δ138/134Ba為～+0.14‰?；鸪商妓釒r是另一類重要的幔源巖漿巖(Jonesetal., 2013)。Lietal. (2020)分析了東非裂谷、格陵蘭、加拿大和德國等地火成碳酸巖及伴生硅酸巖樣品的Ba同位素組成，發(fā)現(xiàn)除3件格陵蘭樣品具有較高δ138/134Ba以外，其他樣品的Ba同位素組成較為均一(δ138/134Ba=-0.04‰～+0.12‰)。表明碳酸巖巖漿作用過程中Ba同位素分餾很小，據(jù)此根據(jù)火成碳酸巖的平均值限定地幔源區(qū)的平均δ138/134Ba為0.05±0.06‰(2SD, n=16)。這個(gè)值比Nielsenetal. (2018)根據(jù)MORB估計(jì)DMM的Ba同位素組成平均值明顯偏輕(0.05‰ vs. 0.14‰)，這將使得對(duì)俯沖物質(zhì)如何改造地幔的制約產(chǎn)生巨大爭議，影響了Ba同位素在地幔地球化學(xué)中的應(yīng)用。

MORB在元素和放射成因同位素組成上的變化反映其地幔源區(qū)的高度不均一性(Hofmann, 2014; Sun and McDonough, 1989)?；谙⊥猎氐母患潭炔町悾琈ORB被劃分為虧損(D-MORB: (La/Sm)N<0.8)、正常(N-MORB: 1.5>(La/Sm)N>0.8)和富集(E-MORB: (La/Sm)N>1.5)三種類型(Galeetal., 2013)。由于N-MORB和E-MORB的化學(xué)組成表現(xiàn)出不同程度的富集特征(Arevalo and McDonough, 2010; Galeetal., 2013)，選擇合適的MORB樣品和高質(zhì)量的Ba同位素?cái)?shù)據(jù)是準(zhǔn)確估計(jì)地幔端元組成的關(guān)鍵。Nanetal. (2022)進(jìn)一步對(duì)大量來自大西洋洋中脊、東太平洋海隆、加科爾山脊、印度洋中脊的MORB樣品和勞盆地玄武巖(BABB)進(jìn)行高精度的Ba同位素分析，發(fā)現(xiàn)這些玄武巖的δ138/134Ba變化范圍為-0.06‰～+0.11‰。他們總結(jié)了現(xiàn)有全球MORB樣品的Ba同位素?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算其平均值為0.05±0.09‰(2SD, n=51)。此外，根據(jù)同時(shí)具有低(La/Sm)N(<0.8)、87Sr/86Sr(<0.70263)和Ba/Th(<71.3)限制條件的D-MORB樣品，估計(jì)DMM的平均δ138/134Ba為+0.05±0.05‰(2SD, n=16)。這個(gè)值明顯低于Nielsenetal. (2018)報(bào)道的結(jié)果(～0.14‰)，但與Lietal. (2020)獲得的地幔值一致。對(duì)于出現(xiàn)這種差異的原因，綜合比較發(fā)現(xiàn)，Nielsenetal. (2018)定義DMM的Ba同位素組成時(shí)只根據(jù)δ138/134Ba最高、87Sr/86Sr最低的2個(gè)大西洋MORB樣品，可能存在兩個(gè)問題：(1)樣品數(shù)量很小，覆蓋面不夠；(2)選擇的87Sr/86Sr不具代表性：低87Sr/86Sr(<0.7024)的樣品的δ138/134Ba(+0.03‰～+0.14‰)與高87Sr/86Sr(>0.7030)的樣品(+0.02‰～+0.11‰)存在較大重疊。因此，本文推薦地幔的平均δ138/134Ba為+0.05±0.05‰(2SD, n=16)。

3.3 陸殼、沉積物和地表水的Ba同位素組成

大陸上地殼是重要的Ba儲(chǔ)庫，其Ba同位素組成可以為研究高溫巖漿過程提供重要的制約。Nanetal. (2018)系統(tǒng)研究了花崗巖、黃土、河流沉積物和冰磧巖，估計(jì)大陸上地殼的平均δ138/134Ba為0.00±0.04‰(2SE)?；◢徺|(zhì)巖漿分異過程中Ba主要進(jìn)入堿性長石和云母中，表現(xiàn)為相容元素(Sabyetal., 2007)，Nanetal. (2018)初步推測，I型花崗巖(-0.21‰～0.01‰)和A型花崗巖(-0.62‰～-0.44‰)偏輕的Ba同位素組成可能反映了花崗質(zhì)巖漿演化過程中富Ba礦物結(jié)晶分異的影響。Dengetal. (2021)對(duì)華北克拉通回里高分異花崗巖的研究，進(jìn)一步證明花崗質(zhì)巖漿演化晚期鉀長石的分離結(jié)晶將導(dǎo)致明顯的Ba同位素分餾。Ba是流體活動(dòng)性元素，通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)，Guoetal. (2020)發(fā)現(xiàn)出溶的熱液流體相對(duì)于硅酸鹽熔體富集輕Ba同位素。這一結(jié)果也被自然樣品所證實(shí)。Huangetal. (2021)發(fā)現(xiàn)喜馬拉雅地區(qū)淡色花崗巖δ138/134Ba變化范圍為-1.32‰～0.12‰。Dengetal. (2022)發(fā)現(xiàn)騎田嶺高階段演化的花崗巖δ138/134Ba變化范圍為-1.79‰～0.14‰。他們都支持這些偏輕的Ba同位素組成特征是巖漿演化晚期巖漿熱液流體的成因，而非礦物結(jié)晶分異所致。黃土Ba同位素組成高度均一，且δ138/134Ba在0‰附近(-0.03‰～0.04‰)，可以代表大陸上地殼的平均Ba同位素組成(Nanetal., 2018)。不同歷史時(shí)期的冰磧巖δ138/134Ba變化范圍很大，為-0.25‰～0.46‰，繼承了原巖的風(fēng)化特征。地球水圈的Ba元素循環(huán)及其同位素響應(yīng)與大陸風(fēng)化密切相關(guān)，也是地球圈層中Ba循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。海洋中的Ba主要來自河流和地下水?dāng)y帶的大陸風(fēng)化產(chǎn)物以及海底熱液。河流和地下水的Ba同位素組成整體上偏重于硅酸鹽巖石和土壤(Caoetal., 2016; Gouetal., 2020; Hsieh and Henderson, 2017; Mayfieldetal., 2021)。全球海洋沉積物的δ138/134Ba變化范圍為-0.11‰～0.15‰(Bridgestocketal., 2018; Nielsenetal., 2018, 2020)。

圖5 MORB和BABB樣品的δ138/134Ba與(La/Sm)N(a)、87Sr/86Sr (b)和Ba/Th (c)相關(guān)性圖解(據(jù)Nan et al., 2022修改)其中實(shí)心數(shù)據(jù)來自Nan et al. (2022)，空心數(shù)據(jù)來自Nielsen et al. (2018). EPR-東太平洋海??；MAR-大西洋洋中脊；Gakkel-加科爾山脊；SEIR-東南印度洋中脊；CIR-中印度洋脊；SWIR-西南印度洋中脊；JdF-胡安·德富卡洋中脊；BABB-勞盆地玄武巖Fig.5 Correlations between δ138/134Ba and (La/Sm)N(a), 87Sr/86Sr (b) and Ba/Th (c) for the mid-ocean ridge basalt (MORB) and back-arc basin basalt (BABB) samples (modified after Nan et al., 2022)The solid circles are data in Nan et al. (2022), and hollow circles are data in Nielsen et al. (2018). EPR-East Pacific Rise; MAR-Mid-Atlantic Ridge; Gakkel-Gakkel Ridge; SEIR-Southeast Indian Ridge; CIR-Central Indian Ridge; SWIR-Southwest Indian Ridg; JdF-Juan de Fuca Ridge; BABB-Lau Basin basalt

4 對(duì)E-MORB成因的啟示

相對(duì)于正常的MORB，E-MORB富集高度不相容元素，具有特殊的Nd-Sr-Hf-Pb同位素特征。其成因長期以來一直存在爭論，包括富集的下地幔熔融(Schillingetal., 1983; Tayloretal., 1997)、地殼物質(zhì)(如地殼巖石、變質(zhì)流體和沉積物等)俯沖再循環(huán)進(jìn)入地幔源區(qū)等(Sun and McDonough, 1989; Donnellyetal., 2004; Eileretal., 2000; Elliottetal., 2006; Hofmann, 2014)。由于Ba同位素組成不受地幔熔融和基性巖漿演化的影響，MORB中Ba同位素組成的變化可能反映源區(qū)的特征。Nielsenetal. (2018)認(rèn)為E-MORB相對(duì)D-MORB具有偏輕的Ba同位素組成，而且與沉積物 (0.01±0.04‰, 2SD)具有相同的δ138/134Ba范圍，據(jù)此推斷E-MORB中Ba同位素的變化反映了虧損地幔源區(qū)中廣泛的沉積物組分加入。然而，根據(jù)新定義的DMM平均Ba同位素組成(Nanetal., 2022)，MORB的δ138/134Ba值隨著87Sr/86Sr和Ba/Th的升高呈現(xiàn)更離散的扇形分布，而不是Nielsenetal. (2018)認(rèn)為的單一混合趨勢(圖5)。實(shí)際上，沉積物與DMM具有更接近的δ138/134Ba(～0.01‰ vs. ～0.05‰)，而蝕變洋殼相對(duì)MORB具有更大的δ138/134Ba變化范圍(-0.09‰～0.33‰)(Nielsenetal., 2018)。因此，如果應(yīng)用新的DMM平均δ138/134Ba，尚不能根據(jù)Ba同位素?cái)?shù)據(jù)來推測地幔源區(qū)廣泛存在再循環(huán)的沉積物。雖然蝕變洋殼相對(duì)于沉積物并沒有更高的Ba含量和87Sr/86Sr，已有工作發(fā)現(xiàn)了蝕變洋殼對(duì)于弧巖漿地幔源區(qū)Ba同位素組成有貢獻(xiàn)(Wuetal., 2020; Haoetal., 2022)。整體上，E-MORB的Ba同位素組成反映了蝕變洋殼和/或沉積物的影響，在利用Ba同位素識(shí)別具體的再循環(huán)組分時(shí)，需要結(jié)合放射成因同位素等其它地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的制約。

5 島弧巖漿巖的Ba同位素

由于Ba在各種類型的表殼物質(zhì)(如沉積物、大陸地殼、蝕變洋殼)中都具有很高的豐度，且是一個(gè)強(qiáng)流體活動(dòng)性元素，表殼物質(zhì)的俯沖循環(huán)和同地幔相互作用過程中會(huì)顯著改造其Ba含量。俯沖板片物質(zhì)再循環(huán)進(jìn)入地幔楔引發(fā)其部分熔融并形成了島弧巖漿巖，Ba在島弧巖漿巖中具有明顯的富集特征。前人研究已顯示蝕變洋殼和大洋沉積物的Ba同位素具有不同的變化范圍 (Bridgestocketal., 2018; Nielsenetal., 2018, 2020)，因此島弧巖漿巖的Ba同位素變化可以為理解俯沖物質(zhì)循環(huán)和傳輸方式提供新的約束。

圖6 Tonga-Kermadec島弧巖漿巖的δ138/134Ba與Ba/Th (a)、Th/Yb (b)、87Sr/86Sr (c)和206Pb/204Pb(d)的相關(guān)性圖解(據(jù)Wu et al., 2020修改)圖(c)和(d)中的黑色實(shí)線代表模擬計(jì)算地幔、沉積物熔體和蝕變洋殼流體的混合線；灰色叉號(hào)代表沉積物熔體加入的比例；紅色虛線和箭頭代表沉積物熔體交代的地幔楔和蝕變洋殼流體混合的趨勢；藍(lán)色實(shí)線代表模擬計(jì)算蝕變洋殼和沉積物不同比例混合形成的混雜巖組分，藍(lán)色箭頭代表混雜巖和地幔楔橄欖巖混合趨勢圖解Fig.6 Correlations between δ138/134Ba and Ba/Th (a), Th/Yb (b), 87Sr/86Sr (c) and 206Pb/204Pb (d) for Tonga-Kermadec arc (modified after Wu et al., 2020)In Fig.6a, b, the solid curves represent calculated mixing lines among mantle, sediment melt and altered oceanic crust (AOC) fluid; the crosses denote the proportion of sediment addition in %; the red lines and arrow represent the calculated mixing line between mantle metasomatized by sediment melt and AOC fluid; the blue line shows the calculated mélange component derived from a range of plausible bulk mixing of AOC and sediment; and the blue arrow depicts the mixing trend of the mélange and wedge peridotite

前人對(duì)來自Aleutian、Ryukyu以及Tonga-Kermadec群島的島弧巖漿巖開展了Ba同位素研究(Nielsenetal., 2018; Wuetal., 2020)。結(jié)果顯示這些島弧巖漿巖具有較為明顯的δ138/134Ba變化(-0.07‰～0.16‰)，反映了不同板片組分加入導(dǎo)致了地幔源區(qū)的Ba同位素變化。Wuetal. (2020)通過結(jié)合Tonga-Kermadec島弧巖漿巖的微量元素和放射成因同位素特征及與Ba同位素變化的關(guān)系，識(shí)別出三類俯沖板片端元組分的加入對(duì)其Ba同位素的影響，即蝕變洋殼流體、Louisville海山俯沖組分和沉積物熔體組分。這顯示不同俯沖板片端元組分的Ba同位素特征有差異，其加入地幔楔會(huì)改造島弧巖漿巖的Ba同位素組成。Wuetal. (2020)進(jìn)一步顯示Tonga-Kermadec島弧巖漿巖的Ba同位素具有明顯的空間變化規(guī)律：位于北邊的Tonga島弧巖漿巖的δ138/134Ba具有明顯的變化(-0.06‰～0.16‰)，而位于南邊的Kermadec群島島弧巖漿巖的δ138/134Ba變化范圍很小(0.02‰～0.08‰)(圖6)。這是由于Tonga島弧的俯沖大洋板片具有較快的俯沖速度(16～24cm/yr)和較低的板片溫度，且俯沖板片上覆沉積物厚度較薄，北部還受到Louisville海山的影響(Georgeetal., 2005; Turneretal., 1997)，因此Tonga弧下地幔楔受到了蝕變洋殼流體、Louisville海山俯沖組分和沉積物熔體的共同影響。相比而言，Kermadec島弧的俯沖大洋板片具有較慢的俯沖速度(～5cm/yr)和較高的板片溫度，且受新西蘭陸源碎屑輸入影響, 其俯沖板片沉積物厚度較厚，沉積物俯沖通量大(Leemanetal., 2017)，因此Kermadec弧下地幔楔主要受到沉積物熔體加入的影響。這些樣品的Ba-Sr-Pb同位素變化趨勢結(jié)合混合模型顯示，Tonga-Kermadec島弧巖漿巖地幔源區(qū)顯示出了沉積物熔體加入和蝕變洋殼流體加入兩個(gè)趨勢，且蝕變洋殼流體混合趨勢穿過地幔-沉積物熔體混合線，指示沉積物熔體(早)和蝕變洋殼流體(晚)是分別加入到俯沖帶地幔楔源區(qū)的，這為板片熔流體交代地幔楔模型提供了研究實(shí)證。

6 洋島玄武巖的Ba同位素

對(duì)來自Azores群島的OIB的Ba同位素測定，可以用來研究其地幔源中富集成分的來源。Azores群島位于北緯37°～40°至西經(jīng)24°～32°的中大西洋海脊(MAR)附近，在北美、非洲和歐亞板塊之間的三重連接處，由9個(gè)島嶼組成。山脊以東的Terceira裂谷是一個(gè)擴(kuò)張中心，Graciosa、S?o Miguel和Terceira沿此裂谷排列。其他4個(gè)島嶼，包括Faial、Pico、S?o Jorge和Santa Maria位于該裂谷的南部。Yuetal. (2022)測量了不同島的OIB的Ba同位素，結(jié)果顯示，F(xiàn)aial、Pico、S?o Jorge和S?o Miguel的樣品具有均一的、類似MORB的Ba同位素組成；而Terceira樣品具有可變的Ba同位素，其δ138/134Ba的變化范圍為-0.03‰～+0.24‰，其最高值顯著高于其他島嶼的δ138/134Ba值。這些Azores玄武巖樣品的放射性Sr-Nd-Pb-Hf同位素組成差異很大，表明它們的地幔源高度不均一。其中S?o Jorge和Terceira樣品具有較高的206Pb/204Pb，表明Azores地幔柱源區(qū)中含有具有HIMU/FOZO特征的物質(zhì)。S?o Jorge玄武巖具有均一且和MORB類似的Ba同位素組成，而Terceira玄武巖的Ba同位素變化范圍較大，說明Terceira地幔中含有其它富集端元。δ138/134Ba和206Pb/204Pb之間的負(fù)相關(guān)性以及δ138/134Ba和Ba/Th之間的正相關(guān)性可能反映了地幔柱與一個(gè)含高δ138/134Ba、低206Pb/204Pb和高Ba/Th的端元之間的混合(圖7)。該富集端元很可能繼承自俯沖的蝕變洋殼。由于Azores群島遠(yuǎn)離任何活動(dòng)的俯沖帶，俯沖的蝕變洋殼很難直接到達(dá)Terceira的地幔源區(qū)。因此，該富集端元更可能是被俯沖流體交代的地幔楔組分，通過地幔對(duì)流循環(huán)至Terceira之下的地幔較淺部位，與上升的地幔柱混合，產(chǎn)生了Terceira玄武巖中的同位素和元素特征。

圖7 Azores洋島玄武巖的δ138/134Ba與Ba/Th (a)、87Sr/86Sr (b)和206Pb/204Pb (c)相關(guān)性圖解(據(jù)Yu et al., 2022修改)Fig.7 Correlations between δ138/134Ba and Ba/Th (a), 87Sr/86Sr (b) and 206Pb/204Pb (c) (modified after Yu et al., 2022)

圖8 δ138/134Ba-Ba/Th圖顯示虧損地幔和不同來源的俯沖板片流體的混合趨勢流體源區(qū)分別引自Wu et al. (2020)和Gu et al. (2021)，弧巖漿巖數(shù)據(jù)分別來自Nielsen et al. (2020)和Wu et al. (2020)Fig.8 Correlation between δ138/134Ba and Ba/Th showing the mixing trends between the depleted MORB mantle (DMM) and slab-derived fluids of different originsData of fluid resource areas from Wu et al. (2020) and Gu et al. (2021), arc magmatic rock from Nielsen et al. (2020) and Wu et al. (2020)

最近Baietal. (2022)測量了不同地幔端元的Ba同位素組成。對(duì)于Hekla火山的研究表明，在MgO濃度2.3%～8.0%的范圍內(nèi)，巖漿分異不會(huì)影響OIB的Ba同位素組成，因此可以推測在分異更小的MgO濃度更高的玄武巖樣品中，Ba同位素不太可能發(fā)生分餾。以Ba/Rb>30和Th/U>4.5為標(biāo)準(zhǔn)排除經(jīng)歷過低溫蝕變的樣品后，Samoa(EM2)的δ138/134Ba范圍為-0.07‰～0.07‰，Cook-Austral(HIMU)樣品δ138/134Ba的范圍為0.00～0.11‰，而St. Helena(HIMU)樣品δ138/134Ba范圍為0.02‰～0.05‰。來自冰島Vestfireir的樣品也表現(xiàn)出Ba同位素變化(-0.09‰～0.14‰)。結(jié)果表明，EM2樣品(143Nd/144Nd=0.512582)的Ba同位素組成(-0.07±0.02‰, 2SE) 比虧損地幔(0.05±0.05‰, 2SD)偏輕。Samoa樣品的δ138/134Ba和143Nd/144Nd比值顯示正相關(guān)趨勢，并且可以通過FOZO地幔和俯沖循環(huán)的Ba同位素組成不均一的大陸地殼之間的二元混合模型來解釋。相比之下，極端富集的HIMU樣品(206Pb/204Pb>21.7)顯示出較重的Ba同位素組成(0.11±0.02‰, 2SE)，HIMU端元的δ138/134Ba和206Pb/204Pb比值呈現(xiàn)正相關(guān)，這與蝕變洋殼物質(zhì)的俯沖再循環(huán)一致。

7 俯沖帶流體活動(dòng)過程中的Ba同位素行為

俯沖作用是地殼物質(zhì)再循環(huán)進(jìn)入深部地幔的主要形式。再循環(huán)的表殼物質(zhì)在俯沖帶中的遷移以及同地幔的相互作用對(duì)火山弧作用和揮發(fā)分的循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。隨著板片持續(xù)向下俯沖，地殼巖石經(jīng)歷高壓、超高壓變質(zhì)作用并發(fā)生變質(zhì)脫水，釋放的流體上升并交代上覆地幔楔，剩余物質(zhì)則繼續(xù)向下俯沖，影響深部地幔的成分(Hermannetal., 2013)。在這一過程中，由于Ba既是大離子親石元素又是高度不相容性元素，俯沖物質(zhì)中的Ba很容易從礦物相進(jìn)入變質(zhì)熔/流體，進(jìn)一步交代并改造地幔楔的Ba同位素特征。Guetal. (2021)研究了大別山造山帶高壓-超高壓榴輝巖-變質(zhì)脈體系的Ba同位素體系，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離脈體的榴輝巖樣品的δ138/134Ba為0.03±0.05‰，而變質(zhì)脈的δ138/134Ba則從0.12‰變化到0.34‰。這個(gè)結(jié)果表明俯沖帶流體過程會(huì)導(dǎo)致明顯的Ba同位素分餾，變質(zhì)流體優(yōu)先富集重Ba同位素，因此被這種流體交代的地幔楔也因此會(huì)具有重Ba同位素組成的特征(圖8)。另一方面，通過對(duì)比發(fā)生過變質(zhì)脫水的和未受改造的榴輝巖的Ba同位素組成，Guetal. (2021)認(rèn)為俯沖帶變質(zhì)脫水過程對(duì)榴輝巖本身的全巖Ba同位素組成影響有限，原因是榴輝巖的全巖Ba含量和Ba同位素組成主要受多硅白云母控制，而多硅白云母可以在很高的溫壓條件下(如，900℃和5.5～11GPa)穩(wěn)定存在(Domanik and Holloway, 1996; Schmidtetal., 2004)。不過，當(dāng)剩余巖石繼續(xù)俯沖到更深的地幔深度時(shí)，多硅白云母發(fā)生部分熔融，熔體吸收了俯沖物質(zhì)中幾乎全部的K、Ba、Rb等元素(Schmidtetal., 2004)，因此被該熔體交代的地幔楔理論上應(yīng)該具有與原巖相似的Ba同位素組成。這一觀點(diǎn)得到了最近有關(guān)中國東部新生代玄武巖Ba同位素研究的支持。Xuetal. (2022)發(fā)現(xiàn)這些來自軟流圈地幔類似于OIB地球化學(xué)成分的大陸玄武巖具有非常均一的Ba同位素組成，其δ138/134Ba為-0.05‰到0.06‰，與MORB的平均值(0.05±0.09‰; Nanetal., 2022)基本一致，表明它們繼承自源區(qū)。綜上所述，俯沖帶能夠貢獻(xiàn)不同同位素特征的Ba到不同層位的地幔源區(qū)。

8 展望

近十余年來，隨著同位素分析技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立了高精度的Ba同位素分析方法，Ba同位素測試精度得到顯著提高。目前Ba同位素研究工作得到了很大的進(jìn)展。初步確定了隕石和地球多個(gè)重要儲(chǔ)庫，如地幔、巖漿巖、海洋沉積物、蝕變洋殼等的Ba同位素組成，發(fā)現(xiàn)Ba同位素在示蹤俯沖物質(zhì)再循環(huán)方面的重要潛力。為了更加深入理解不同儲(chǔ)庫的Ba同位素組成及變化規(guī)律，目前的數(shù)據(jù)積累還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要測量更多典型地質(zhì)樣品的Ba同位素組成。同位素分餾機(jī)理的研究還處于起步階段，目前只知道少量礦物-礦物、礦物-流體、硅酸鹽熔體-流體間的Ba同位素平衡分餾系數(shù)，大量含Ba礦物跟流體間的分餾系數(shù)尚未獲得。而且擴(kuò)散、揮發(fā)等動(dòng)力學(xué)過程中的Ba同位素分餾機(jī)理還不清楚。在高溫下的Ba同位素應(yīng)用的工作才剛剛開展，目前Ba同位素主要是示蹤俯沖物質(zhì)再循環(huán)，對(duì)于揮發(fā)天體形成、巖漿作用、流體成礦等過程具有很好的應(yīng)用前景。在不遠(yuǎn)的未來，Ba同位素的分析精度將進(jìn)一步提高，其分餾機(jī)理和儲(chǔ)庫調(diào)查將更加完善，我們期待Ba同位素在地質(zhì)和天體過程中的廣泛應(yīng)用。

非常高興借此機(jī)會(huì)向周新華研究員表達(dá)我的感謝之情。地幔地球化學(xué)是我一直堅(jiān)持的研究方向，作為迷茫而不知所措的后輩，周新華研究員的鼓勵(lì)一直是我前進(jìn)的動(dòng)力，謹(jǐn)以本文慶祝周新華研究員八十華誕及從事地球科學(xué)科研六十載。

致謝感謝張宏福院士和楊進(jìn)輝研究員的約稿，感謝評(píng)審人的建議。