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圖 俯沖帶中REE的遷移和富集模型示意圖

在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：92162216)等資助下，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所侯增謙院士團(tuán)隊(duì)(朱鑫祥博士、劉琰研究員等)，在俯沖條件下的稀土遷移機(jī)制方面取得新進(jìn)展。研究成果以“次大陸巖石圈地幔中大量稀土元素的富集是由底辟作用而非熔融作用引起的(Massive rare earth element storage in sub-continental lithospheric mantle initiated by diapirism, not by melting)”為題，于2023年12月28日在線發(fā)表在《地質(zhì)學(xué)》(Geology)。

稀土元素是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展中必不可少的關(guān)鍵金屬元素，大多產(chǎn)出于堿性雜巖體和碳酸巖巖體之中。這些巖體往往都擁有一個(gè)受俯沖作用影響所形成的富集巖漿源區(qū)，但并未直接形成于俯沖帶中，而是在陸內(nèi)、裂谷、同碰撞及后碰撞等環(huán)境中大量出現(xiàn)。以往研究認(rèn)為：洋殼在俯沖過(guò)程中會(huì)脫出大量富稀土的流體并交代巖石圈地幔形成富稀土的巖漿源區(qū)，該源區(qū)隨后受地質(zhì)事件活化進(jìn)而形成富稀土的巖體或礦床。然而，流體能否遷移REE?巖石圈地幔究竟如何富稀土化?富稀土的巖體或礦床為何沒(méi)有直接形成于俯沖帶中?等問(wèn)題仍需進(jìn)一步地質(zhì)約束。

研究團(tuán)隊(duì)采用天然深海富REE沉積物，模擬俯沖帶條件開(kāi)展了高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，天然富REE沉積物在俯沖帶條件下難以熔融，主要形成榴輝巖相的混雜巖體，且無(wú)論其熔融與否，稀土都趨于富集在固態(tài)的礦物相中，而并未進(jìn)入熔/流體，因此，原有的熔/流體遷移模型已不足以解釋俯沖條件下稀土元素的遷移機(jī)制。通過(guò)密度進(jìn)行計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)俯沖帶中該混雜巖體的密度總小于巖石圈地幔，因此能夠具有向上的浮力，能夠直接以固態(tài)底辟形式攜帶大量REE向上覆巖石圈地幔遷移。

據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)提出：俯沖過(guò)程中稀土向巖石圈地幔的大規(guī)模遷移主要由固體巖石的底辟作用控制，而非熔/流體。底辟的難熔性導(dǎo)致其不能在俯沖帶中直接形成富稀土的弧巖漿，僅能在后續(xù)的地質(zhì)作用活化下方能大量熔融。同時(shí)，由于底辟和熔流體的成因和所攜帶物質(zhì)等差異，將在俯沖過(guò)程中形成不同的富集巖漿源區(qū)(圖)，進(jìn)而在之后的地質(zhì)事件影響下形成沿俯沖縫合帶平行分布的多條成礦帶。這一研究成果的提出極大地豐富和完善了稀土元素的成礦理論，也為其他類型礦床的找礦勘查提供了有利依據(jù)。