俯冲带流体由俯冲板片中含水矿物变质脱水形成,流体性质对于研究壳幔物质循环、岛弧火山活动、地幔和岛弧的氧化还原状态、地震和成矿等重大科学问题至关重要。虽然前人对俯冲带流体做了大量的研究工作,但是碳酸盐和硅质岩等特殊沉积端元对俯冲带流体成分的影响、俯冲带流体的氧化还原状态、流体在俯冲隧道运移过程中有没有被改造、流体的来源等问题依然不清楚。金属稳定同位素近二十年来蓬勃发展,分析测试方法日渐成熟,储库的认识、机理的研究逐步深入,目前已被广泛应用于天体化学、壳幔形成与演化、岩浆作用、成矿及古环境等不同地质过程的研究中。同时,金属稳定同位素在示踪物质来源和地质过程方面显示出独特的优势,是研究俯冲带流体性质的新工具。例如,Si在俯冲带流体中富集,Si同位素在高温热液过程中可以发生较大的分馏;Fe是一个变价元素,Fe同位素可以反映氧化还原状态;而Ba元素在地壳物质中高度富集,Ba同位素对水岩反应敏感。将这些金属稳定同位素体系与俯冲带流体相关的变质岩结合起来,可以帮助我们揭示一些传统地质方法无法认识到的现象。本论文分别研究了与大洋俯冲带流体相关的缅甸硬玉岩的Si-Fe同位素,及与大陆俯冲带流体相关的西阿尔卑斯白片岩和大别山硬玉石英岩的Ba同位素,希望能对流体溶质来源及水岩反应过程中流体和岩石成分的改变有一个新的制约。缅甸硬玉岩是弧前俯冲带流体直接沉淀或交代超基性岩形成,其化学成分可以直观地反映俯冲带流体组成及特征。其中,流体结晶形成的白色硬玉岩具有比目前报道的火成岩明显偏重的Si同位素组成(δ30Si=-0.04‰~0.23‰),流体交代形成的绿色硬玉岩(δ30Si=-0.35‰~0.03‰)和富角闪石岩(δ30Si=-0.33‰~0.05‰)的Si同位素也有不同程度的偏重,但比白色硬玉岩略轻,这说明形成硬玉岩的流体Si同位素比全硅酸盐地球偏重。根据硬玉-石英-流体之间的Si同位素平衡分馏系数,我们推测形成硬玉岩的流体Si同位素组成在0.7‰~1.2‰。同时,硬玉岩及富角闪石岩的δ30Si与SiO2有很好的正相关性,其斜率(0.0639)明显高于火成岩演化斜率0.0056,这种相关性不是由岩浆演化或矿物分离结晶引起,可以用流体-岩石间的混合模型来解释,模型显示绿色硬玉岩和富角闪石岩中有0~25%不等的Si质来自流体。由于深海泥质沉积、蚀变洋壳及地幔蛇纹岩脱出流体δ30Si相对较低,具有高δ30Si特征的深海硅质沉积可能是俯冲带流体重Si同位素的主要来源。因此,Si同位素可用于示踪俯冲带流体中溶质来源。缅甸硬玉岩的Fe同位素却显示与Si同位素完全不同的、比火成岩偏轻的特征,白色硬玉岩Fe同位素整体偏轻且变化范围大(δ56Fe=0.60‰~-0.04‰),绿色硬玉岩(δ56Fe=-0.44‰~-0.19‰)与富角闪石岩(δ56Fe=-0.47‰~-0.23‰)的Fe同位素变化范围相近。分析表明硬玉岩的轻Fe同位素特征不是由风化、动力学分馏及溶解-再沉淀过程导致。白色硬玉岩δ56Fe与Mg/(Mg+Fe)、V/Sc、Zn含量及Eu/Eu*有很好的相关性,说明形成白色硬玉岩的流体为富集轻Fe同位素的流体与蚀变洋壳脱出流体的混合。绿色硬玉岩δ56Fe与Mg/(Mg+Fe)、Ba/Th和Cr含量等有很好的相关性,说明绿色硬玉岩是由这种富集轻Fe同位素的流体交代铬铁矿形成。而这种轻铁同位素最有可能来自富Fe碳酸盐的溶解。根据流体富集轻Fe同位素及富含甲烷流体包裹体等特点,我们推测俯冲带流体局部相对还原。这种富集轻Fe同位素碳酸盐的俯冲对岛弧及局部地幔的Fe同位素组成具有重要影响,同时可以促进非生物成因甲烷的形成。西阿尔卑斯白片岩是在陆壳深俯冲过程中,蛇纹岩来源的流体交代变花岗岩形成的超高压变质岩。由于Ba同位素在水岩作用过程中可以发生较大的分馏,白片岩的Ba同位素组成可以记录俯冲带流体在运移过程中化学成分是否发生改变。本文测量了西阿尔卑斯白片岩及变花岗岩原岩的Ba同位素组成,发现变花岗岩原岩δ138Ba变化范围相对较小(δ138Ba=-0.25‰~0.26‰),而白片岩在Ba元素强烈丢失的同时,δ138Ba从-0.99‰升高至0.48‰。在排除了风化、退变质及动力学过程的影响后,我们认为这一变化过程是由俯冲隧道中发生的水岩相互作用引起,水岩反应过程中Ba同位素的分馏行为可通过一个概念模型来模拟。俯冲隧道不仅仅是一个物质运移通道,同时还是一个强水岩反应带,在俯冲隧道内流体的化学成分发生了明显的改变,水岩反应过程中流体的Ba同位素组成相对岩石偏重。俯冲隧道内流体化学成分的改变可显著影响俯冲物质循环,并对我们认识岛弧火山岩的Ba同位素组成具有重要指示意义。与白片岩不同,大别山硬玉石英岩的Ba同位素变化范围大(δ138Ba=-0.50‰~0.11‰),但整体比大陆上地壳偏轻。Ba同位素与Ba含量的对数值有很好的正相关性,并显示随流体活动性元素(K、Cs和Rb)减少Ba同位素变轻,随Al、Mg、Ca含量增加Ba同位素变轻的现象,这反映了水岩作用过程中流体将重Ba同位素和流体活动性元素带走,流体可能来源于黑云母的分解。同时硬玉石英岩带的东部岩石受流体作用较强,Ba同位素偏轻明显。大陆俯冲带流体对于后碰撞岛弧型火山岩的形成具有重要意义。本研究显示,俯冲物质尤其是一些特殊的沉积端元对流体同位素组成影响较大,俯冲隧道是一个强水岩反应带,水岩反应过程中流体和岩石的成分都发生了很大的变化。因此,金属稳定同位素是研究俯冲带流体溶质来源及变化的有力工具。