花岗质岩浆作用及后期演化过程：来自矿物原位微区成分与同位素组成的制约.pdf

书书书（）：岩 石 学 报：龙 欣 雨，唐 杰，许 文 良 花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程：来 自 矿 物 原 位 微 区 成 分 与 同 位 素 组 成 的 制 约岩 石 学 报，（）：，：花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程：来 自 矿 物 原 位 微 区成 分 与 同 位 素 组 成 的 制 约龙 欣 雨唐 杰 许 文 良，吉 林 大 学 地 球 科 学 学 院，长 春 自 然 资 源 部 东 北 亚 矿 产 资 源 评 价 重 点 实 验 室，长 春 ，收 稿，改 回，：，（）：，：，“”（），（）（），本 文 受 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（、）资 助第 一 作 者 简 介：龙 欣 雨，女，年 生，工 程 师，主 要 从 事 火 成 岩 石 学 研 究，：通 讯 作 者：唐 杰，女，年 生，副 教 授，博 士 生 导 师，主 要 从 事 火 成 岩 石 学 研 究，：，；摘要 花 岗 岩 作 为 大 陆 地 壳 的 重 要 组 成 部 分，其 岩 浆 作 用 过 程 一 直 是 地 学 领 域 研 究 的 热 点。传 统 上 利 用 全 岩 地 球 化 学和 同 位 素 数 据 来 示 踪 花 岗 岩 成 因 和 演 化 过 程 的 方 法 已 不 够 准 确，为 此，本 文 系 统 总 结 了 近 年 来 报 导 的 花 岗 岩 中 单 矿 物 的 原 位微 区 成 分 这 些 数 据 记 录 了 全 岩 数 据 无 法 识 别 的 单 矿 物 颗 粒 内 部 和 不 同 矿 物 颗 粒 之 间 元 素 和 同 位 素 组 成 的 变 异 特 征，明显 提 高 了 对 花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程 的 认 识。首 先，矿 物 原 位 微 区 成 分 对 花 岗 质 岩 浆 的 源 区 性 质 和 混 合 过 程 具 有 指示 意 义。花 岗 岩 中 岩 浆 锆 石同 位 素 组 成 的 变 异 可 能 暗 示 其 源 区 在 深 熔 作 用 过 程 中 发 生 了 锆 石 的 不 平 衡 和 选 择 性 熔 融，而未 必 是 壳 幔 混 合 作 用 的 结 果，这 是 对“锆 石 效 应”概 念 新 的 扩 展；同 一 花 岗 岩 样 品 中 分 选 出 的 磷 灰 石 颗 粒 可 以 具 有 完 全 不 同 的稀 土 元 素 配 分 模 式、异 常、含 量 和同 位 素 组 成 等，表 明 它 们 中 的 部 分 颗 粒 是 岩 浆 形 成 和 上 升 过 程 中 从 围 岩 捕 获 的，是 小 规 模 地 壳 混 染 作 用 的 产 物；榍 石 的 微 区 成 分 分 带 记 录 了 多 种 岩 浆 混 合 过 程，也 反 映 了 熔 体 成 分、氧 逸 度 和 温 度 等 因 素 的变 化；花 岗 岩 与 其 中 发 育 的 包 体、捕 虏 体 和 相 关 围 岩 的 锆 石同 位 素 和 磷 灰 石同 位 素 组 成 可 以 记 录 上 述 岩 石 在 形 成过 程 中 经 历 岩 浆 混 合 和 同 化 混 染 等 作 用。其 次，矿 物 原 位 微 区 成 分 可 以 反 映 花 岗 质 岩 浆 的 分 离 结 晶 过 程。岩 浆 成 因 磷 灰 石不 同 的 稀 土 元 素 配 分 模 式 可 能 指 示 它 们 受 到 了 其 他 矿 物 分 离 结 晶 作 用 的 影 响，如 帘 石 族、榍 石、角 闪 石、斜 长 石 等；花 岗 伟 晶岩 系 统 中 岩 浆 成 因 独 居 石 值 在 不 同 岩 带 中 的 规 律 性 变 化 揭 示 了 岩 浆 分 离 结 晶 程 度 的 差 异；榍 石 的 多 种 微 区 元 素 含 量和 它 们 之 间 的 协 变 关 系 受 控 于 花 岗 质 岩 浆 的 结 晶 分 异 过 程 和 氧 化 还 原 状 态；岩 浆 成 因 绿 帘 石 族 矿 物 的 震 荡 环 带 表 明 在 绿 帘石 结 晶 的 晚 期 阶 段 花 岗 质 岩 浆 中 的 含 量 降 低，且 结 晶 过 程 中 褐 帘 石 和 绿 帘 石 并 不 能 形 成 完 全 连 续 的 固 溶 体，因 此 晚 期 结晶 的 绿 帘 石 环 边 与 褐 帘 石 核 具 有 成 分 间 断；根 据 角 闪 石 的 电 子 探 针 数 据 可 以 计 算 得 到 花 岗 质 岩 浆 结 晶 时 的 温 度、压 力 和，并 据 此 推 断 出 岩 浆 起 源 的 深 度。此 外，矿 物 原 位 微 区 成 分 可 以 记 录 花 岗 质 岩 石 晚 期 经 历 的 构 造 热 事 件 和 矿 化 作 用 过 程。经历 晚 期 变 质交 代 作 用 改 造 的 花 岗 岩 中 的 磷 灰 石 具 有 低 的 轻 稀 土 元 素 含 量 和 变 化 很 大 的同 位 素 组 成，导 致 花 岗 岩 具 有位 素 体 系 解 耦 的 特 点；晚 期 变 质交 代 作 用 同 样 会 改 变 磷 灰 石 和 榍 石 的值，造 成 各 副 矿 物 之 间值 相 互 解 耦 的 现象；蚀 变 独 居 石 的 元 素 和同 位 素 体 系 指 示 流 体 交 代 过 程 中 多 种 置 换 反 应 的 发 生 以 及 普 通混 染 和丢 失 的 过 程；热 液 成 因 绿 帘 石 族 矿 物 的 成 分 环 带 表 明 氧 化 环 境 下 热 液 流 体 成 分 会 不 断 演 化，根 据 矿 物流 体 平 衡 模 型，可 以 利 用 绿 帘 石 成 分计 算 出 成 矿 作 用 发 生 的 温 度 以 及 流 体 的值，研 究 表 明 绿 帘 石 向 流 体 中 释 放 的 大 量 有 效 促 进 了 硫 化 物 矿 床 的 成 矿 作 用进 程。综 上，单 矿 物 原 位 微 区 成 分 分 析 技 术 的 不 断 提 高 使 我 们 对 花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程 的 认 识 有 了 很 大 进 步，在 未来 的 研 究 中，如 何 取 长 补 短，将 这 些 数 据 进 行 良 好 地 运 用 是 本 领 域 的 重 要 方 向。关 键 词 花 岗 岩；岩 浆 和 岩 浆 期 后 过 程；矿 物 原 位 微 区 成 分；源 区 性 质；分 离 结 晶 过 程；变 质 和 交 代 作 用中 图 法 分 类 号 ；拥 有 保 存 完 整 且 高 度 演 化 的 长 英 质 大 陆 地 壳 是 地 球 区别 于 太 阳 系 中 其 他 类 地 行 星 的 主 要 标 志 之 一（，；，；，）。花 岗 岩 是 大 陆 地 壳 的 重 要 组 成 部 分，因 此，关 于 花 岗 质 岩 浆作 用 过 程 的 一 系 列 问 题，包 括 岩 浆 源 区 性 质、不 同 矿 物 的 分离 结 晶 作 用、岩 浆 混 合 和 同 化 混 染 作 用 以 及 岩 浆 晚 期 经 历 的蚀 变 和 矿 化 作 用 等，一 直 是 地 球 科 学 研 究 的 热 点 问 题 之 一。传 统 上 对 上 述 问 题 的 研 究 主 要 基 于 花 岗 岩 的 全 岩 地 球 化 学组 成，如 全 岩 主、微 量 元 素 和同 位 素 等（，；，；，）。然 而，全 岩 地 球 化学 组 成 更 多 代 表 的 是 一 个“混 合”的 结 果，不 能 精 准 区 分 花 岗岩 源 区 可 能 涵 盖 的 不 同 时 期 增 生 的 地 壳 物 质，在 反 映 一 些 相对 复 杂 的 岩 浆 作 用 过 程（如 岩 浆 混 合 和 同 化 混 染 作 用 等）上也 具 有 很 大 局 限 性。近 年 来，花 岗 岩 中 发 育 的 副 矿 物（如 锆石、磷 灰 石、榍 石、帘 石、独 居 石 等）因 其 对 蚀 变 作 用 的 稳 定性，或 对 其 赋 存 岩 石 形 成 时 物 理、化 学 条 件 变 化 的 灵 敏 性 而越 来 越 受 到 广 泛 关 注。矿 物 原 位 微 区 成 分 测 试 技 术 的 不 断进 步 让 我 们 可 以 了 解 到 单 矿 物 颗 粒 内 部 和 不 同 矿 物 颗 粒 之间 元 素 和 同 位 素 的 组 成 和 变 异，它 们 往 往 蕴 含 着 一 些 传 统 手段 无 法 识 别 的 岩 浆 形 成 和 演 化 信 息，因 而 大 大 提 高 了 我 们 对花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程 的 认 识。锆 石 作 为 花 岗 岩 中 一 种 常 见 的 副 矿 物，具 有 非 常 高 的 矿 岩 石 学 报，（）：物 稳 定 性，受 到 了 地 质 学 界 的 广 泛 重 视。目 前，利 用 花 岗 岩中 锆 石 的同 位 素 组 成 并 结 合 其年 龄 来 示 踪 岩 浆源 区 性 质 已 经 是 较 成 熟 的 研 究 手 段（，；，；，；，；，；，）。此 外，尽 管 对花 岗 岩 中 其 他 常 见 副 矿 物（如 磷 灰 石、榍 石 和 独 居 石 等）的 研究 程 度 不 如 锆 石 高，但 它 们 对 岩 浆 演 化 过 程 的 指 示 作 用 却 不容 忽 视。这 些 副 矿 物 分 布 于 各 类 花 岗 岩 中，且 均 具 有 富 集 稀土 元 素（）的 特 点，在 很 多 情 况 下 可 以 提 供 一 些 锆 石 不 能识 别 的 岩 石 成 因 和 源 区 性 质 信 息。近 年 来，陆 续 有 学 者 对 花岗 岩 中 榍 石、独 居 石 和 绿 帘 石 的 成 分 进 行 了 研 究，例 如，（）对 苏 格 兰 显 生 宙 高花 岗 岩、芬 兰 太古 宙 赞 岐 岩 和 格 恩 西 岛 新 元 古 代 火 山 岩 组 合 中 的 榍 石 进 行了 原 位同 位 素 分 析，发 现 其值 不 会 受 到 矿 物 分 离 结晶 作 用 的 影 响，但 可 能 会 被 晚 期 变 质 作 用 和 流 体 交 代 作 用 改造；（）还 对 太 古 宙 克 拉 通 上 分 布 的 花 岗 质岩 石 中 的 榍 石 进 行 了 研 究，认 为 其 微 量 元 素 组 成 可 以 揭 示 源岩 性 质，并 进 一 步 建 立 了 太 古 宙和 赞 岐 岩 的 判 别 图 解；榍 石 的年 代 学、地 球 化 学 以 及、等 同 位 素 的 组 成也 是 揭 示 花 岗 岩 形 成 时 代、演 化 过 程、源 区 性 质 和 变 质 过 程的 有 效 指 示 剂（，；，；，）；独 居 石 是 过 铝 质 花 岗 岩 中 常 见 的 副 矿 物 和 富铝 变 质 岩 系 中 的 变 质 矿 物，因 此 原 生 和 次 生 独 居 石 的同 位 素 组 成 可 以 记 录 岩 浆 的 形 成 和 结 晶 过 程 以 及 晚 期 进 变质 和 变 质 峰 期 年 龄 等（，；，；，；，；，）；绿 帘 石 主 要 以 次 生 矿 物 的 形 式 产 出 于 变 质岩 中，原 生 绿 帘 石 一 般 只 能 稳 定 存 在 于 压 力 大 于的花 岗 质 岩 浆 中（，及 其 中 文 献），因 此 绿 帘石 的 地 球 化 学 组 成 常 被 用 来 研 究 花 岗 岩 晚 期 演 化 阶 段 的 变质 作 用 和 热 液 矿 化 作 用（，；，；，）。此 外，磷 灰 石（，）是 火 成 岩、变 质岩 和 沉 积 物 中 一 种 常 见 的 矿 物，许 多 元 素 可 以 通 过 替 代 作 用进 入 磷 灰 石 的 晶 格 中（，；，）。因 此，越 来 越 多 学 者 将 目 光 聚 焦 在 了 花 岗 岩 中磷 灰 石 的 元 素 和 同 位 素 组 成 上。研 究 表 明，磷 灰 石 中 的 稀 土元 素 和、和等 元 素 的 含 量 可 以 有效 指 示 母 岩 浆 的 成 分 和 性 质（如 岩 石 类 型、含 量、氧 逸度、铝 饱 和 指 数）以 及 岩 浆 演 化 过 程（，；，；，；，；，）。近 年 来，技术 的 日 渐 成 熟 使 磷 灰 石同 位 素 组 成 在 揭 示 很 多 地 质作 用 过 程 中 也 扮 演 了 重 要 角 色。例 如，磷 灰 石 原 位 微 区同 位 素 可 以 评 估 深 部 地 壳 岩 石 中 矿 物 内 部 的同 位 素平 衡 过 程（，；，），磷 灰 石 的 初 始同 位 素 组 成 同 样 可 以 用 来 示 踪 沉 积 物 源（，；，；，）。最 近 的 研 究 显 示 磷 灰 石 的同 位 素 组 成 还 对 潜 在的 花 岗 岩 同 化 混 染 作 用 的 发 生 具 有 指 示 意 义（，；，；，）。此 外，磷 灰 石 很 容 易 受 到 晚 期 变 质 作 用 和 热 液 作 用 的 影 响，使 其 晶体 形 态、内 部 结 构、含 量（，；，；，；，；，；，；，）和 同位 素 组 成（如同 位 素；，；，；，；，；，；，；，；，）表 现 出 与 典 型 岩 浆 成 因磷 灰 石 不 同 的 特 征。最 新 的 流 体磷 灰 石 反 应 实 验 显 示，磷灰 石 的同 位 素 体 系 可 以 被 特 定 成 分 的 流 体 改 造（，），而 天 然 样 品 中 同 样 存 在 这 种 现 象（，；，），说 明 磷 灰 石 地 球 化 学 组 成 的 变 化 在 揭 示晚 期 变 质 和 交 代 作 用 等 方 面 具 有 很 大 潜 力。本 文 系 统 总 结 了 第 一 作 者 所 在 的 课 题 组（以 下 简 称 课 题组）近 年 来 对 中 亚 造 山 带 东 段 花 岗 岩 中 磷 灰 石 和 锆 石 元 素 和同 位 素 组 成 的 研 究 成 果，结 合 前 人 对 全 球 范 围 内 花 岗 岩 单 矿物 原 位 微 区 成 分 的 报 导，详 细 阐 述 了 花 岗 质 岩 浆 从 起 源 到 分离 结 晶 作 用，到 可 能 存 在 的 岩 浆 混 合、同 化 混 染 作 用 以 及 晚期 构 造 热 事 件 的 改 造 和 矿 化 作 用 等 一 系 列 复 杂 的 岩 浆 演 化过 程。正 如 上 述 研 究 所 表 明 的，虽 然 单 矿 物 微 区 成 分 可 以 有效 示 踪 花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程，但 由 于 这 些 矿 物 结晶 时 间 的 差 异，往 往 并 不 能 反 映 和 记 录 整 个 岩 浆 作 用 过 程，因 此，在 讨 论 岩 浆 作 用 过 程 及 岩 浆 期 后 演 化 过 程 时，应 加 强对 不 同 结 晶 阶 段 及 岩 浆 期 后 矿 物 成 分 的 系 统 研 究。矿物原位微区成分对花岗质岩浆源区性质和混合过程的制约 锆 石同 位 素 指 示 源 区 性 质 和 深 熔 作 用 过 程锆 石 是 大 陆 地 壳 中 普 遍 发 育 的 一 种 副 矿 物，它 具 有 高 的矿 物 稳 定 性 和 非 常 低 的 比 值。普 遍 认 为，花 岗 质 岩 石的 锆 石同 位 素 模 式 年 龄 指 示 了 壳 幔 分 异 的 时 间，即 地 壳增 生 时 间。随 着 研 究 的 不 断 深 入，部 分 学 者 发 现 花 岗 岩 的 锆石同 位 素 还 可 以 识 别 源 区 的 残 留 矿 物（如“石 榴 石 效 应”；，）和 重 建 花 岗 岩 的 深 熔 作 用 过 程（如“锆石 效 应”、锆 石 的 不 平 衡 熔 融 和 差 异 性 熔 融；，；，；，）。与均 为 难 熔 的 中 等强 不 相 容 性 亲 石 元 素，这 一 点与和类 似，因 此，同 位 素 与同 位 素 示 踪 的 基 本原 理 相 同，但 仍 存 在 一 定 差 异。在 碎 屑 物 质 搬 运 沉 积 过 程中，不 同 产 物 的 比 值 不 会 发 生 很 大 的 变 化，但体 系 则 不 同。这 是 因 为主 要 与结 合 而 赋 存 在 锆 石 中，该 过 程 会 导 致 锆 石 主 要 在 粗 粒 的 碎 屑 沉 积 物 中 富 集，粘 土 等龙 欣 雨 等：花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程：来 自 矿 物 原 位 微 区 成 分 与 同 位 素 组 成 的 制 约图中 国 中 南 地 区 同 一 新 元 古 代 岩 体 中 发 育 的 过 铝 质 石 英 闪 长 岩（样 品）和 黑 云 母 花 岗 岩（样 品）的 锆石 原 位 地 球 化 学 成 分（据 ，修 改）（、）锆 石（）（误 差 为；红 色 点 为 核 部 数 据，灰 色 点 为 边 部）；（）具 有 温 度 反 环 带 结 构 的 锆 石 核边（）值 的 变 化（高 温 边部 并 不 比 低 温 核 部 具 有 更 亏 损 的（）值，表 明 与 幔 源 岩 浆 的 注 入 无 关；灰 色 阴 影 为 误 差 为时 的 不 确 定 度）（）（）（，）（，）（）（；）；（）（）（），；）细 粒 沉 积 物 中 锆 石 的 含 量 很 少。因 此，不 同 粒 度 和 成 因 类 型的 沉 积 物 具 有 变 化 很 大 的比 值，这 一 现 象 被 称 作“锆 石 效 应”（，；吴 福 元 等，）。这 些 沉积 物 如 果 通 过 俯 冲 作 用 进 入 到 地 幔 楔 中，会 使 地 幔 部 分 熔 融后 产 生 的 基 性 岩 浆，甚 至 是 进 一 步 熔 融 产 生 的 酸 性 岩 浆 具 有同 位 素 解 耦 的 特 点。众 多 学 者 在 花 岗 岩（，；，；，）、俯 冲 带 岩 浆（，；，；，）和 经 历 交 代 作 用 的 地 幔（，；，；，；，）中均 观 察 到 了“锆 石 效 应”的 存 在。（）将 这 一 概念 进 一 步 扩 展 到 了 花 岗 岩 的 深 熔 作 用 上，他 们 发 现 一 个 手 标本 尺 度 下 的 花 岗 岩 样 品 可 以 具 有 变 化 很 大 的 岩 浆 锆 石同位 素 组 成（的 变 化 范 围 可 达 个 单 位；图，）。研 究表 明，在 地 壳 深 熔 过 程 中，如 果 岩 浆 源 区 的 初 始含 量 大 于 且 熔 融 过 程 较 快（），那 么 熔 体 可 以 具 有变 化 极 大 的同 位 素 组 成（的 变 化 范 围 大 于个 单位）。因 此，壳 源 岩 浆 源 区 锆 石 不 平 衡 的 熔 融 会 形 成 一 系 列具 有 不 同同 位 素 组 成 的 熔 体 批 次，导 致 最 终 形 成 的 花 岗岩 具 有 不 均 一 的 岩 浆 锆 石同 位 素 组 成。深 熔 作 用 过 程 中锆 石 的 不 平 衡 熔 融 现 象 作 为“锆 石 效 应”一 个 新 的 内 涵，为 花岗 岩 岩 浆 锆 石同 位 素 的 变 异 提 供 了 除 壳 幔 混 合 模 型 外 的另 一 种 解 释（图）。花 岗 岩同 位 素 出 现 解 耦 现 象 的 另 一 种 可 能 是 源区 存 在 石 榴 石 的 残 留，即“石 榴 石 效 应”。石 榴 石 具 有 很 高 的 比 值，因 此 富 集 石 榴 石 的 岩 浆 源 区 会 随 着 时 间 演 化 而具 有 非 常 高 的值。通 常 情 况 下，石 榴 石 会 在 中 基性 岩 浆 源 区 脱 水 熔 融 的 过 程 中 作 为 残 留 矿 物 保 存 下 来（，），这 使 得 部 分 熔 融 的 熔 体 强 烈 亏 损 重 稀 土元 素（），并 且 相 对（）值 而 言 其 锆 石 会 具 有 更 高 的（）值（，）。此 外，对 一 些 岩 石 体 系 来 说（如 变 沉 积 岩、长 英 质 岩 浆岩），其 内 部 主 要 含矿 物 为 锆 石，这 些 岩 石 在 深 熔 过 程 中锆 石 自 身 选 择 性 的 溶 解 行 为 也 是 导 致 花 岗 岩同 位 素 组 成发 生 变 化 的 重 要 原 因 之 一。（）对 中 新 世 喜 马拉 雅 花 岗 岩 中 的 锆 石 进 行 了 年 龄、微 量 元素 和同 位 素 组 成 的 测 试 工 作。结 果 表 明，原 生 锆 石 的（）值（，中 位 数 为）普 遍 比 继 承 锆 石 的（）值（，中 位 数 为）更 高，而 具 有 高含 量 的 继 承 锆 石 则 与 原 生 锆 石 的（）值 相 近。地 球 化 学数 据 显 示 这 些 花 岗 岩 是 变 沉 积 岩 在 相 对 低 温（）的 条件 下 部 分 熔 融 形 成 的，这 可 能 会 导 致 在 深 熔 过 程 中，含 量高 的 锆 石 由 于 经 历 了 更 多 的 辐 射 损 伤 而 优 先 溶 解 进 入 到 熔体 当 中，从 而 使 原 生 锆 石 的（）值 更 趋 近 于 源 区含 量 高的 锆 石。与 之 相 对 的 是，在 熔 融 温 度 较 高 的 条 件 下，源 区 中的 锆 石 会 更 多 表 现 出 一 致 性 的 溶 解 行 为，而 后 结 晶 形 成 的 岩浆 锆 石 则 能 反 映 更 真 实 的 源 区 性 质。位 于 南 非 和 巴 西 的 两个 高 温 花 岗 岩 体 都 很 好 地 证 实 了 上 述 观 点（，；，），它 们 的 地 壳 深 熔 作 用 是 在 温 度 的 条 件 下 进 行 的，因 此 它 们 的 原 生 锆 石 和 继 承锆 石 具 有 相 似 的含 量 和（）值。综 上，当 锆 石 为 岩 石 体系 中 的 主 要 含矿 物 时，源 区 锆 石 的 选 择 性 溶 解 是 控 制 原 岩 石 学 报，（）：图松 嫩 地 块 花 岗 岩 中（）、（）、（）和 （）图 解（据 ，修 改）图中 灰 色 线 来 自 ，磷 灰 石；全 岩 （），（），（）（）（，），；生 结 晶 锆 石同 位 素 组 成 的 关 键 之 一，但 中 基 性 岩 浆 则 基本 不 受 这 一 过 程 影 响，因 其的 含 量 在 不 同 矿 物 之 间 的 分布 是 更 均 匀 的。不 难 看 出，造 成 花 岗 质 岩 石 锆 石同 位 素 组 成 变 异 的原 因 是 复 杂 多 样 的，既 可 能 是 因 为 源 区 的 物 质 组 成 受 到 了 地质 过 程 的 改 造，也 可 能 是 因 为 源 岩 在 深 熔 过 程 中 出 现 了 锆 石的 不 平 衡 和 选 择 性 熔 融 等 现 象。因 此，在 对 花 岗 质 岩 石 的 锆石同 位 素 数 据 进 行 解 释 时，势 必 要 综 合 考 虑 野 外 地 质 和岩 石 学 证 据、岩 浆 的 物 质 组 成、形 成 的 温 压 条 件 以 及 经 历 的构 造 演 化 过 程 等 诸 多 因 素，并 结 合 全 岩单 矿 物 的 多 种 元 素同 位 素 体 系 进 行 讨 论。磷 灰 石 微 量 元 素 和同 位 素 组 成 指 示 小 规 模 地 壳 混染 作 用如 引 言 所 述，磷 灰 石 的 晶 格 中 可 以 容 纳 大 量 对 岩 浆 演 化过 程 十 分 敏 感 的 元 素，故 其 地 球 化 学 组 成 在 示 踪 岩 石 成 因 方面 的 作 用 越 来 越 受 到 重 视（，；，；，；，）。然而，同 一 样 品 中 分 选 出 的 不 同 磷 灰 石 颗 粒 在 元 素 和 同 位 素 组成 上 的 巨 大 变 化，可 能 暗 示 这 些 磷 灰 石 并 不 是 来 自 于 一 个 简单 的、封 闭 的 演 化 体 系。部 分 磷 灰 石 所 具 有 的 一 些 特 殊 的 地球 化 学 信 号，如配 分 模 式、异 常、含 量 和同 位素 组 成，可 能 记 录 了 全 岩 地 球 化 学 数 据 无 法 识 别 的 岩 石 成 因信 息（如 岩 浆 源 区 的 不 均 一 性、地 壳 混 染 作 用 和 晚 期 变 质交代 作 用 等）。课 题 组 对 中 亚 造 山 带 东 段 松 嫩 地 块 上个 花岗 岩 样 品 的 岩 石 学 特 征、全 岩 地 球 化 学 和 锆 石同 位 素 组成 进 行 了 细 致 研 究，将 它 们 划 分 为“经 历 晚 期 构 造 热 事 件 改造 的 花 岗 岩”和“未 经 晚 期 构 造 热 事 件 改 造 的 花 岗 岩”，对 这两 类 花 岗 岩 中 发 育 的 磷 灰 石 的 岩 相 学、原 位 微 量 元 素 和同 位 素 组 成 的 系 统 研 究 显 示（，），部 分 样 品 中的 磷 灰 石 具 有 如 下 特 殊 特 征：（）含 量 明 显 高 于 全 岩含量（、和；图）；（）具 有正 异 常 但 全岩 具 有负 异 常 或 无异 常（；图）；（）配分 模 式 区 别 于 该 样 品 中 的 其 他 磷 灰 石（、和；图）；（）同 位 素 组 成 区 别 于 该 样 品 中 的 其 他磷 灰 石 且 与 锆 石同 位 素 解 耦（；图）。磷 灰 石 的含 量 受 控 于 它 结 晶 时 岩 浆 熔 体 中 的含量，并 且 不 易 受 到 晚 期 构 造 热 事 件 的 干 扰，因 此，来 自 同 一 岩龙 欣 雨 等：花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程：来 自 矿 物 原 位 微 区 成 分 与 同 位 素 组 成 的 制 约图松 嫩 地 块 花 岗 岩 中 磷 灰 石（彩 色 线）和 全 岩（黑 色 线）的 球 粒 陨 石 标 准 化 稀 土 元 素 配 分 图（据 ，修 改）（）（）（，）图松 嫩 地 块 花 岗 岩 样 品 中 锆 石（）磷 灰 石（）图 解（据 ，修 改）红 色 直 线 由 中 亚 造 山 带 东 段 松 嫩 地 块、额 尔 古 纳 地 块 和 兴 安 地块 中同 位 素 耦 合 的 花 岗 岩 样 品 计 算 所 得；灰 色 直 线 为 地球 阵 列 线（据 ，）额 尔 古 纳 地 块 和 兴 安 地 块样 品 数 据 来 自 孙 晨 阳，（）（）（，），（），石 样 品 的 原 生 磷 灰 石 的含 量 通 常 比 较 均 一 且 低 于 全 岩 的含 量（受 斜 长 石 分 离 结 晶 作 用 的 影 响）。具 有 异 常 高含量 的 磷 灰 石 可 能 是 以 下 三 种 原 因 造 成 的：（）斜 长 石 发 生 蚀变 导 致 全 岩含 量 降 低；（）磷 灰 石 结 晶 于 岩 浆 源 区 曾 存 在的 比 全 岩 组 分 更 基 性 的（含 量 更 高）熔 体；（）岩 浆 形 成 和上 升 过 程 中 捕 获 了 围 岩 中 的 磷 灰 石。此 外，斜 长 石 的 分 离 结晶 作 用 同 样 会 导 致 磷 灰 石 普 遍 具 有负 异 常 或 没 有 明 显 的异 常（，；，），因此，具 有正 异 常 的 磷 灰 石 应 该 是 继 承 了 岩 浆 源 区 的 性 质。例 如，样 品中 有 两 颗 磷 灰 石 具 有正 异 常（平均 ；图中 实 心 圆），但 全 岩 却 具 有 微 弱 的负 异 常（平 均 ；图中 黑 色 三 角 形），说 明这 两 颗 磷 灰 石 应 该 结 晶 于 具 有正 异 常 的 岩 浆 熔 体。此外，样 品中 还 有 两 颗 磷 灰 石 具 有 很 高 的含 量（平 均值 为），而 全 岩含 量 为 （图中 空 心 圆；图），因 此 这 两 颗 磷 灰 石 应 该 来 源 于 不 同于 寄 主 岩 的 岩 浆 源 区。事 实 上，该 样 品 岩 浆 源 区 的 复 杂 性 是有 迹 可 循 的，它 采 自 于 一 条 侵 入 到 闪 长 岩 体 中 的 二 长 花 岗 岩脉（图；，）。闪 长 岩 体 的含 量 为 ，并 具 有 微 弱 的正 异 常（图中 绿 色 阴 影 部分；，）。因 此，样 品 中 这 些含 量 高 的 和 具 有正 异 常 的 磷 灰 石 很 可 能 是 二 长 花 岗 岩 脉 侵 位 过 程 中 从 闪长 岩 体 捕 获 的。样 品中 有颗 磷 灰 石 具 有“陡 峭 的”右 倾 型配 分 模 式 和 微 弱 的负 异 常（图），以 及 比 全 岩 更 高 的含 量（图）。与 之 不 同，剩 下 的 一 颗 磷 灰 石 却 具 有 上 凸 的配 分 模 式 和 强 烈 的负 异 常，与 全 岩 的组 成 相 似（图）。这 些 现 象 说 明 两 类 具 有 不 同 微 量 元 素 特 征 的 磷 灰石 可 能 形 成 于 两 个 岩 浆 源 区，颗 与 全 岩 地 球 化 学 特 征 解 耦的 磷 灰 石 可 能 是 从 围 岩 捕 获 的，只 有 一 颗 为 原 生 磷 灰 石。样 品中 有颗 磷 灰 石 具 有 右 倾 型 的配 分 模式（图）和 高 于 全 岩 的含 量（图），与 剩 下 的 一 颗 磷 灰石 明 显 不 同。这颗 磷 灰 石 应 形 成 于 一 个 比 全 岩 更 基 性 的岩 浆 熔 体。此 外，它 们 的（）值 与 锆 石（）表 现 出 解 耦的 特 点，而 这 种（）值 的 升 高 与 流 体 改 造 的 磷 灰 石 具 有 相反 的 趋 势（图），它 们 的 轻 稀 土 元 素（）含 量 较 高（）、且 在 阴 极 发 光（）图 像 中 显 示 出 均一 的 内 部 结 构，说 明 其 并 没 有 经 历 晚 期 构 造 热 事 件 的 改 造（详 细 讨 论 见 节）。因 此，这 些 磷 灰 石 同 样 是 小 规 模 地 壳混 染 作 用 的 产 物。岩 石 学 报，（）：图样 品野 外 照 片（据 ，修 改）（，）图辽 东 半 岛 早 白 垩 世 花 岗 岩 及 其 中 的 磷 灰 石 的同 位 素 组 成（据 ，修 改）（，）（）对 辽 东 半 岛 早 白 垩 世 花 岗 岩 体 中 发 育的 磷 灰 石 进 行 了 岩 相 学、原 位 主 微 量 元 素 和同 位 素 测试，发 现 它 们 可 以 被 划 分 为 两 组。第 一 组 磷 灰 石 呈 自 形半自 形 晶，具 有 相 对 低 的 初 始值（）和较 低 的（）值（），与 全 岩 组 成 基 本 一 致（图），说 明 这 些 磷 灰 石 是 寄 主 岩 浆 结 晶 形 成 的；第 二 组 磷 灰 石呈 他 形 晶（部 分 颗 粒 具 有 核边 结 构），具 有 变 化 很 大 的值（）和（）值（）（图），表 明 它 们 的 源 区 并 不 完 全 是 花 岗 岩 的 原 始 岩 浆。第 二 组磷 灰 石 的 地 球 化 学 组 成 与 区 域 上 发 育 的 围 岩（太 古 宙 和 古 元古 代 花 岗 质 岩 石）中 的 磷 灰 石 相 近，说 明 它 们 是 从 围 岩 捕 获而 来 的，并 与 寄 主 岩 浆 发 生 了 一 定 程 度 的 反 应。综 上 所 述，捕 获 磷 灰 石 很 可 能 在 一 定 程 度 上 保 留 了 原 有的 地 球 化 学 组 成，并 反 映 了 源 区 的 性 质，这 种 小 规 模 的 地 壳混 染 作 用 往 往 易 被 全 岩 地 球 化 学 数 据 所 忽 略，因 此，利 用 磷灰 石 地 球 化 学 组 成 及 其 变 异 特 征 来 建 立 花 岗 岩 的 成 因 演 化模 型 等 方 面 具 有 很 大 的 应 用 前 景。榍 石 的 成 分 分 带 指 示 岩 浆 的 混 合 作 用岩 浆 的 混 合 作 用 是 许 多 花 岗 质 岩 体 形 成 的 重 要 过 程，也是 导 致 火 山 喷 发 的 因 素 之 一（，；，；，；，）。然而，指 示 岩 浆 混 合 作 用 的 野 外 地 质 证 据 往 往 只 能 在 部 分 深 成环 境 中 保 存 下 来，且 花 岗 岩 的 全 岩 地 球 化 学 数 据 也 在 很 多 情况 下 无 法 详 细 地 记 录 混 合 过 程 中 的 结 构 和 成 分 变 化 信 息，而单 矿 物 在 这 方 面 则 具 有 很 大 优 势（，；，；，）。位 于 苏 格 兰 的 花 岗 岩 是 一 个 已 知 的 经 历 了 岩 浆 混 合 作 用 而 形 成 的 岩体（，；，），（）对 该 岩 体 中 发 育 的 一 系 列 与 混 合 作 用 相 关 的 岩 石（包括 寄 主 花 岗 岩、一 系 列 闪 长 质 包 体 以 及 端 元 岩 浆 完 全 混 合 形成 的 混 杂 岩 等 等）中 的 榍 石 进 行 了 电 子 探 针 分 析，结 果 表 明榍 石 的 微 量 元 素 分 带 不 仅 与 野 外 地 质 现 象 耦 合，也 建 立 了 更精 细 的 岩 浆 混 合 作 用 过 程。花 岗 岩 中 闪 长 质 包 体 发 育 的 多 种 结 构 指 示其 与 寄 主 花 岗 岩 之 间 发 生 了 不 同 程 度 的 混 合 作 用，表 明 岩 浆在 源 区 和 上 升 侵 位 时 均 经 历 了 一 系 列 独 立 的 混 合 过 程。图 像 显 示，包 体 和 寄 主 花 岗 岩 中 的 单 颗 榍 石 可 以 具 有 多 种 环带 类 型（图），包 括 代 表 岩 浆 成 因 的 均 一 生 长 带 和 同 轴 震 荡生 长 细 环 带，以 及 榍 石 的 稳 定 性 发 生 变 化 导 致 其 溶 解 而 形 成的 环 带（溶 解 后 的 再 生 长 和 晚 期 隙 间 生 长）。电 子 探 针 数 据表 明，榍 石 的 环 带 成 分 代 表 了 不 断 变 化 的 熔 体 成 分，主 要 记录 了和 高 场 强 元 素（）等 微 量 元 素 的 变 化 过 程。此 外，利 用 榍 石 的含 量 还 可 以 计 算 出 其 结 晶 时 的 温 度 为。榍 石 原 位 微 区 成 分 的 变 化 是 对 新 鲜 的 闪 长 质岩 浆 与 花 岗 岩 体 混 合 过 程 中 熔 体 成 分、氧 逸 度 和 温 度 等 因 素变 化 的 响 应。该 岩 体 中 榍 石 记 录 的 混 合 过 程 包 括 不 含 矿 物晶 体 的 熔 体 的 完 全 混 合、晶 体 在 部 分 结 晶 的 岩 浆 之 间 的 转移、熔 体 从 已 结 晶 包 体 中 的 分 离 和 运 移 以 及 晚 阶 段 的 扩 散 交龙 欣 雨 等：花 岗 质 岩 浆 作 用 及 后 期 演 化 过 程：来 自 矿 物 原 位 微 区 成 分 与 同 位 素 组 成 的 制 约图 花 岗 岩 中 具 有 多 种 环 带 类 型 的 榍 石 的图 像（据 ，修 改）（，）换 作 用。榍 石 的 地 球 化 学 成 分 不 仅 记 录 了 局 部 的 混 合 过 程，也 同 样 受 控 于 更 远 端 的 混 合 作 用。因 此，榍 石 的 微 区 成 分 能够 揭 示 许 多 隐 藏 在 岩 浆 房 内 的 混 合 事 件。图辽 东 半 岛 早 白 垩 世 侵 入 体 中 的 正 长 花 岗 岩 和 石 英 闪 长 岩 的 球 粒 陨 石 标 准 化 稀 土 元 素 配 分 图（）和 原 始 地 幔 标 准 化微 量 元 素 蛛 网 图（）（据 ，修 改）（）（）（，）单 矿 物 多 重 同 位 素 组 成 指 示 岩 浆 的 形 成 和 混 合 过 程对 与 花 岗 岩 形 成 演 化 相 关 的 基 性 岩 进 行 研 究 是 建 立 其成 因 模 型 的 关 键，这 些 基 性 岩 与 花 岗 岩 可 能 是 同 源 演 化 的（如 部 分 熔 融 和 分 离 结 晶 作 用），也 可