通常认为，地幔同位素组成具有不均一性。研究青藏高原特提斯域地幔橄榄岩同位素组成的不均一性，是探讨地质历史时期地球水圈-岩石圈相互作用的窗口，也是准确界定青藏高原物质组成构造属性和相关矿产资源产出背景的基础，可有效服务国家矿产资源战略需求。
近十几年，锂同位素体系被广泛运用于研究地幔橄榄岩包体、造山带橄榄岩以及蛇绿岩中地幔橄榄岩。研究人员认为，地幔锂同位素组成的不均一性与Sm-Nd、Lu-Hf、Re-Os 和 Mg-Fe等高温同位素体系一样，主要受控于地球深部地质作用。
近日，中国科学院青藏高原研究所碰撞隆升及影响团队史仁灯研究员及其合作者，利用矿物原位锂同位素分析方法，选取青藏高原特提斯域班公湖-怒江缝合带中段永珠洋-陆过渡型蛇绿岩的地幔橄榄岩（图1），系统分析了方辉橄榄岩和纯橄岩中主要造岩矿物橄榄石的锂含量和锂同位素组成。研究发现，锂同位素组成（δ7Li）与测点距离矿物颗粒边界远近存在负相关性（图2，图3a），例如在纯橄岩中，随着测点距离从124.71μm降至26.15μm时，橄榄石的δ7Li值从+1.33‰增加到+10.46‰。
在地球化学储库中，只有海水具有最重的锂同位素组成（+31‰）。因此，样品中极重的锂同位素组成需要海水或海水蚀变矿物作为端元与地幔混合，并且大陆岩石圈地幔橄榄岩的锂同位素组成的众值（+2‰）正好在正常地幔δ7Li值范围内。计算结果表明，绝大多数样品分布在海水和大陆岩石圈地幔橄榄岩二元混合曲线上（图3b），揭示了样品中锂同位素组成主要受控于海水和大陆岩石圈地幔橄榄岩。由于锂同位素在低温下（＜350℃）会发生强烈分馏，在高温下会快速达到均一，可见深部高温地质作用并不是锂同位素组成不均一的终极因素。
研究团队早期成果显示，青藏高原永珠洋-陆过渡型蛇绿岩的地幔橄榄岩是威尔逊旋回初期大陆裂解阶段的产物，是洋壳化的古老大陆岩石圈地幔橄榄岩，较好地保存在被动大陆边缘。在大陆裂解过程中，随着软流圈地幔上涌和大陆岩石圈强烈拆离作用不断进行，岩石圈地幔橄榄岩逐渐上浮露于地表，海水在热对流系统中渗透到新形成的尚处于较热状态的洋壳和大陆岩石圈地幔中（图4）。由于锂是流体活跃元素，在海水中的活度明显高于在橄榄石中，并且这种热对流系统的地温梯度一般大于150℃/km，有足够的能量供海水里的锂元素扩散至橄榄石颗粒中。在扩散过程中，由于6Li和7Li在中低温海水里扩散速率接近，以及锂离子周围水化壳的保护作用，导致锂同位素分馏程度非常低，使得橄榄石保存了海水锂同位素特征。
综上，研究人员认为，海水中锂扩散作用等地表过程是深部地幔锂同位素组成不均一的重要化学动力学机制。该成果为推广锂同位素体系准确界定青藏高原物质组成的构造属性、示踪特提斯域不同圈层相互作用提供了范例，有助于提升橄榄岩成矿专属性研究程度和成矿预测效果。
相关成果近期以“Diffusion‑induced lithium isotopic heterogeneity in olivines from peridotites of an oceanized mantle lithosphere at the Yunzhug ophiolite (central Tibet)”为题，发表在Nature出版集团旗下期刊《Scientific Reports》。我所史仁灯研究员为第一作者和通讯作者。该研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究专项（2019QZKK0703）和国家自然科学基金项目（92062215, 41972052）联合资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-54616-6
图1 (a) 青藏高原及邻区大地构造纲要图；(b) 研究区在青藏高原特提斯域的位置以及研究对象产出特征
图2 研究对象纯橄岩和方辉橄榄岩中橄榄石的测点位置与Li同位素组成（δ7Li）
图3 (a) 橄榄石中Li含量与δ7Li相关性图解；(b) 样品数据点在海水与大陆岩石圈地幔橄榄岩二元混合曲线上分布状况以及与正常地幔之间的关系
图4 海水Li元素扩散到大陆岩石圈地幔橄榄岩中的示意图
(a) 在威尔逊旋回初期，软流圈地幔上涌、岩石圈拆离作用下，海水初步接触大陆岩石圈地幔橄榄岩；(b) 随着软流圈不断上涌、岩石圈拆离持续进行，海水通过热对流系统进一步扩散到新生洋壳和大陆岩石圈地幔橄榄岩中。
