中国科学院广州地球化学研究所和Rice University（莱斯大学）联合培养的博士研究生陈晨在莱斯大学Cin-Ty A. Lee教授和中国科学院大学孙卫东研究员的指导下对全球尺度内的弧岩浆进了地球化学大数据研究，研究发现弧岩浆中Li的富集主要来自地壳加厚导致的地幔楔熔融程度降低及壳内岩浆演化程度的提升，而来自俯冲板片的贡献非常有限。相关研究成果10月20日于《Nature Communications》在线发表。

  锂（Li）作为新能源材料中的关键元素，因其潜在的地缘政治风险而被定义为关键战略性金属。对于地球科学家而言，了解Li在地质过程中的迁移和富集的机制是一项同时具有科学和社会经济学意义的挑战。

  锂是流体活动性元素，在岩石风化过程中, 矿物中的Li元素随着降水、河流迁移至低洼的盆地、湖泊，或汇入大洋；岩石风化形成的粘土矿物中也不同程度的吸附了这些被淋滤出的Li。长期以来，学界一直猜想大洋板片及其上覆黏土沉积物在俯冲脱水过程中将释放大量的Li，俯冲脱水形成的熔/流体携带着Li进入地幔楔，使得弧岩浆富集了Li。

图1  俯冲带Li的循环

  然而，不同的地化工具在验证这一假说时却得到了并不一致的结论。俯冲带广泛存在高Li/Y的岩浆岩，暗示俯冲物质为弧岩浆提供了大量的Li；而弧岩浆的Li同位素信号（d⁷Li）却与地幔值基本一致，未出现俯冲输入物质的信号。陈晨及其合作者利用GeoRoc“大数据”数据库对全球现今活动的岩浆弧的地球化学数据进行了统计。结果显示，初始弧岩浆的Li含量并不高，与不受俯冲影响的洋中脊玄武岩具有相似的含量；而Li/Y的比值也是如此。这表明俯冲板片贡献的Li非常有限，俯冲输入并非弧岩浆Li富集的控制因素。通过进一步的研究, 他们发现Li/Y在岩浆演化过程中会发生分异。这解释了前人研究中弧岩浆岩具有异常高的Li/Y比值的原因。

　　图2  初始弧岩浆Li含量、Li/Y比值 vs. 岩浆弧的地壳厚度

　　图3  Li/Y比值在壳内岩浆演化过程中的分异，样品按计算所得的地壳厚度分为0-25km, 25-50km和50-75km三组

  更为有趣的是，他们发现初始弧岩浆的Li含量与地壳厚度具有正相关性。在现今活动的弧地壳厚度范围内，厚弧（大陆弧，如安第斯）初始岩浆的Li含量较薄弧（岛弧，如伊豆群岛）可高出一倍。而其他不相容元素也存在类似的现象，这被解释为地壳增厚抑制了地幔楔的熔融程度，促使了初始弧岩浆中不相容元素含量的升高。 

　　而岩浆的壳内分异演化也可极大地助力Li的富集。Li在岩浆结晶过程中更倾向于进入熔体，因而随着岩浆的结晶，分异程度越高岩浆Li越富集。而受初始岩浆中Li含量差异的影响，在相近演化程度下，厚的弧始终较薄弧要具高的Li含量。

图4  壳内演化过程中，作为不相容元素的Li逐渐富集，F为岩浆结晶分异过程中的残余熔体分数

  文章提出地壳的增厚, 可以同时减小地幔楔的熔融程度，和促进岩浆在地壳内的分异。前者使Li在初始弧岩浆中更加富集, 而后者为Li在壳内的演化富集提供了的额外加成。地壳较厚的成熟大陆弧因而较地壳较薄的岛弧更富集Li元素。

图5  地壳增厚对岩浆演化及Li富集的影响

  具有厚地壳的岩浆造山带提供了形成盐湖卤水型锂矿床的一系列条件: 有料（富Li的喷出岩）、有盆（陆内盆地）、有气候（高海拔干燥）。陆表的岩石经受风化、剥蚀, 地下水将岩石中的Li再次淋滤而出，并汇聚于盆地之中，在干旱的气候之下, 浓缩为富Li的卤水, 从而形成盐湖卤水型锂矿床。如南美的安第斯山、中国的青藏高原都发育有丰富的盐湖卤水型锂矿床。青藏高原是我国珍贵的战略资源宝库。

　　图6  锂资源世界分布图，蓝色点为盐湖卤水型锂矿

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19106-z 

　　（中国科学院矿物学与成矿学重点实验室 & 科技与规划处 供稿）