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    科研進展

    廣州地化所發現幔源巖漿石榴石分異形成高鎂埃達克質巖的直接證據

      

       闡明高鎂埃達克巖的成因對理解大陸地殼和斑巖型礦床的形成過程至關重要?,F今弧環境的埃達克巖通常具有相對高的Mg#和MgO含量(即貧鐵的鈣堿性特征),通常被認為是俯沖板片熔體與地幔相互作用的產物。但是一些案例研究以及大數據統計發現,弧巖漿的全巖地球化學變化(如鐵的虧損伴隨著重稀土虧損)指示高壓下幔源巖漿的石榴石分異可能是形成高鎂埃達克巖的主要途徑,然而在高鎂埃達克巖中并沒有發現巖漿成因的石榴石。雖然前人在弧地殼剖面以及下地殼包體中發現了石榴石,但是難以確定其是巖漿還是變質成因。此外,已報道的一些含石榴石的中酸性巖漿巖都具有低Sr和Sr/Y的特征或者屬于貧鎂的淡色花崗巖。因此,幔源巖漿的石榴石結晶分異模型仍然缺乏直接的礦物學證據,這也導致我們對幔源巖漿結晶和保存石榴石的機制缺乏認識。

      針對上述科學問題,中國科學院廣州地化所、深地科學卓越創新中心王軍博士、但衛副研究員、王強研究員和唐功建研究員對青藏高原中部羌塘保護站閃長斑巖進行了詳細的礦物學、年代學和地球化學研究,取得了以下認識:

      (1)保護站閃長斑巖形成于晚三疊世(~220Ma),具有高的Mg#(45–65),根據斑晶礦物組成和比例,可以將其分為三類。其中第一類不含石榴石且不具有埃達克質特征,第二、三類含石榴石且具有埃達克質特征;從第一類、第二類到第三類巖石,全巖MgO逐漸降低,重稀土逐漸虧損(圖1a)。

    圖1.(a)全巖稀土配分圖;(b)鋯石與石榴石的重稀土分配系數

      (2)石榴石為富鈣貧錳的鐵鋁石榴石(圖2a),與幔源巖漿高壓結晶石榴石組成一致(圖2b)。第三類閃長斑巖的石榴石具有比第二類更高的CaO和Dy/Yb以及低的MgO(圖2b、d),這些差異也體現在它們的寄主全巖上,即石榴石組成隨著寄主全巖的組成變化而變化;石榴石與巖漿鋯石之間的重稀土分配系數與實驗測得的平衡分配系數一致(圖1b);且正交光下可見石榴石與長石斑晶存在交生關系。這些都表明石榴石是從寄主巖漿中結晶的,而不是捕擄晶。

    圖2. 石榴石主微量組成(變質巖和實驗結晶的石榴石作為對比)

      (3)隨著巖漿分異演化,不同期次結晶的角閃石(圖3a)、石榴石(圖2c)、鋯石(圖1b)以及它們的寄主全巖(圖1a)的重稀土逐漸虧損,且結晶于石榴石之前的角閃石平衡巖漿(即母巖漿)并不具有全巖的埃達克質特征,這些都表明石榴石分異控制了全巖和礦物的組成變化。不同期次角閃石Dy/Yb和Eu異常的變化(圖3a)表明石榴石首次結晶于角閃石之后,但斜長石之前;結合相圖、角閃石溫壓計和長石濕度計結果(圖3b),我們認為石榴石結晶的理想條件是富水(>5wt.%)的幔源巖漿滯留在下地殼(~1GPa)發生等壓降溫分異(圖3b藍色虛線)。如果發生巖漿緩慢上升導致的降壓降溫分異(圖3b紅色虛線),則不會結晶石榴石(如第一類閃長斑巖)。

    圖3.(a)不同期次的角閃石稀土配分圖;(b)含水(5 wt.%)安山巖相圖與角閃石溫壓估計值,其中紅、藍實線是根據礦物結晶順序限定的巖漿演化通過的溫壓區間

      (4)準鋁質的原生幔源巖漿在下地殼不會飽和富鋁的石榴石,只有當貧鋁的輝石和角閃石先結晶分異,且斜長石結晶受到抑制時,殘余巖漿才會演變為少見的過鋁質中性巖(圖3b和圖4),最后石榴石才開始結晶(如第二、三類閃長斑巖)。此外,由于富鈣石榴石低壓容易分解且密度高,所以在火山巖或斑巖中保存石榴石則要求石榴石結晶之后,寄主巖漿快速上升。簡而言之,從巖漿的下地殼滯留演化到快速上升,意味著區域應力狀態從擠壓到伸展的迅速轉變,這與研究區在晚三疊世處于古特提斯洋閉合的區域伸展演化吻合。

    圖4. Pl投影的Ol-Cpx-Qtz三元圖來表示角閃石、石榴石以及寄主閃長斑巖的組成變化(不同壓力實驗得到的液相演化線做為對比)

      因此,本研究提供了石榴石分異形成高鎂埃達克巖的直接礦物學證據,也詳細闡明了石榴石結晶和保存的物理化學條件。研究成果已經發表在《Journal of Petrology》上,該研究受國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、第二次青藏科考、國家重點研發等項目的聯合資助。

      Jun Wang, Wei Dan*, Qiang Wang*, Gong-Jian Tang, 2021. High-Mg# adakitic rocks formed by lower-crustal magma differentiation: mineralogical and geochemical evidence from garnet-bearing diorite porphyries in central Tibet, Journal of Petrology 62, 1-25.

        相關鏈接https://doi.org/10.1093/petrology/egaa099

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