花岗岩成因研究的新进展

花岗岩成因研究的新进展

花岗岩是大陆地壳的重要组成部分，也是地球与其他宇宙区分开来的象征。它们可形成于各种不同地球动力学环境,其岩石组合、岩浆源区及成因研究蕴含着探索大陆动力学的重要信息,它与大陆地壳生长、岩石圈演化及区域构造发展等之间的关系[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,14]更是成为新一轮大陆动力学研究的重要问题。常规的全岩地球化学和同位素虽然使花岗岩的研究进展显著,但花岗岩成因的复杂性和全岩地球化学分析的局限性限制了花岗岩成因的深入研究。随着二次离子质谱仪(SIMS)和激光多接收电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)的问世,国内外一些学者开发了一系列的矿物原位微区同位素分析方法,如长石的Sr、Pb同位素、锆石的Hf、O同位素、U-Pb年代学、磷灰石的Sr、Nd同位素、榍石的Nd同位素等分析方法。这些方法逐渐广泛应用于地学研究中的各个领域,也同时大大促进了花岗岩成因方面的研究[6,15,16,17,18,19,20,21,22]。本文主要结合近年来国内外花岗岩研究和原位微区同位素分析方法研究的进展,对当前花岗岩成因研究中原位微区同位素分析方法的应用进行初步的总结。1成岩年龄及岩浆混合源区尽管花岗岩的组成矿物较其他岩石类型简单,但有关花岗岩分类、岩浆起源的温压条件、岩浆演化过程与壳幔相互作用和大陆地壳增生等一系列问题一直存在着激烈的争议,其中花岗岩成因研究,如岩浆源区及成岩过程,是解决这些问题的基础。继火成论、变成论之后,地壳深熔说和岩浆混合说成为当今花岗岩成因研究中新一轮争论的核心,其争论的实质就是地幔在花岗岩成因中的作用[15,24,25,26,27,28,29,30]。地壳深熔说(crustalanatexis)是争论之后得出的关于花岗岩形成的基本结论,即花岗岩是深部地壳岩石由于物理化学条件的变化导致其发生部分熔融产生花岗质岩浆[15,24,25,26,27,28,29,30]而形成的。基于这一前提,Chappell和White提出了I、S型花岗岩的成因分类方案,并强调花岗岩中的细粒镁铁质包体是花岗质岩浆析离后的残余,残留体与熔体的分离是控制花岗岩成分演化的重要机制,并多次强调指出,占自然界主体的I、S型花岗岩应是地壳起源的,这一观点有众多的支持者和大量的研究成果。然而,随着研究的深入,并没有发现高钙斜长石残留,再者,不同类型的花岗岩具有明显的复杂性,一系列实验岩石学、岩相学和地球化学资料支持花岗岩可能来源于壳幔混合源区。在花岗岩成分演化研究中,花岗岩是否可以发生岩浆混合作用是目前讨论的一个重要话题。Castro等就曾提出混合型(H型,hybird)花岗岩的概念。实际上,岩浆混合作用有大量的地质和岩石学证据,如代表注入长英质岩浆中镁铁质岩浆的淬冷包体,镁铁质包体中针状磷灰石、角闪石等矿物,花岗岩本身地球化学成分的变化等。需要指出的是,常用的Harker图解上的花岗岩成分线形变化趋势是多解的,可解释为矿物结晶分异作用的结果,也可能是地壳混染、岩浆混合作用的产物,关键是要基于野外地质、岩相学观察确定不同类型岩石之间的关系。地壳混染和岩浆混合说虽然较好地解释了花岗岩中包体的成因及花岗岩本身所具有的成分变化,但绝大多数镁铁质包体和寄主岩(花岗岩)的同位素组成相同,目前报道的花岗岩和包体具有不同同位素组成的例子极为罕见。这种现象可能是:(1)地壳混染和岩浆混合作用过程中,同位素与主量元素、微量元素会发生解耦,基性岩浆和酸性岩浆混合作用过程中,全岩的Sr、Nd同位素扩散速率相对较快,很容易达到同位素组成的均一化;(2)镁铁质包体和花岗岩分别来源于岩石圈地幔和岩石圈地幔来源的岩浆底侵形成的新生下地壳。全岩分析是基于手标本尺度,其地球化学和同位素数据只能代表手标本尺度样品的平均值,很难将这两种可能性区分开。而近年来矿物原位微区分析表明,元素和同位素在单矿物尺度下存在着不均一性,而正是这种单矿物尺度的不均一性,使得矿物的原位微区年代学和同位素分析成为识别花岗岩的岩浆源区和成岩过程的有效手段。2矿物同位素原位分析方法矿物的同位素原位分析与常规全岩同位素分析不同,所分析的对象一般是天然单矿物颗粒或者矿物颗粒内部微观环带等。为了保证矿物的原位微区同位素分析结果能准确反映岩浆演化的历史,对所选择的样品需注意:(1)矿物的结晶温度的范围尽可能覆盖固相和液相,从而较全面地反映岩浆的全部演化史;(2)对外界环境的变化灵敏,熔体成分的变化能够明显地反映在矿物颗粒上(如溶蚀边,成分突变等);(3)矿物颗粒足够大、含量多,以便于分析测试;(4)另外,矿物的同位素体系对岩浆演化具有明显的指示作用,而且元素丰度高以便进行分析测试,例如花岗岩中富含U、Pb、Lu、Hf的锆石。随着科学仪器技术的进步,矿物的同位素原位微区同位素分析得以实现。目前应用于同位素原位分析测试的方法有3种:二次离子探针(SIMS)、多接收等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)、微钻取样(microdrill)与热电离质谱相结合(TIMS)。每种分析方法各有利弊(表1)。在实际分析过程中,选择哪种方法主要取决于研究的目的以及样品的情况,例如SIMS具有很好的空间分辨率,可以实现较小区域的分析(10~20μm),但是分析的精度比较低,因而只适合分析元素含量比较高的样品;TIMS虽然具有较高的分析精度,同质异位素的干扰小,但是由于其前期的化学处理很繁琐,更增加了分析测量的本底;LA-MC-ICPMS的分析速度占很大的优势,但是却需要复杂的干扰校正,而且对待测样品具有很大的破坏性。选择好实验分析方法是非常重要的,要同时兼顾分析精度、空间分辨率、干扰的校正等方面的影响。随着研究的深入以及实验分析技术的进步,矿物同位素的原位分析方法日趋成熟,并已广泛应用于地学研究中的各个领域,在花岗岩成因研究中也逐渐被推广。目前在花岗岩成因研究中常用的原位微区分析方法主要有斜长石的Sr、Pb同位素、锆石中的Hf、O同位素、榍石的Nd同位素、磷灰石的Sr、Nd同位素[6,16,17,18,19,20,21,22]。3岩浆原位微区近年来的研究表明,花岗岩在成岩过程中原始岩浆经历了广泛的围岩混染、结晶分异、岩浆混合等过程。长英质岩浆形成的热源主要来自于下部的地幔岩浆,而地幔岩浆的注入、混合以及长英质岩浆在上升、就位过程中捕获围岩物质会导致原始岩浆的温度、压力和成分都发生变化,从而诱发矿物的结晶和生长。矿物结晶时,晶体的同位素组成与其寄主岩浆的同位素组成一致,而当岩浆同位素组成发生变化时,晶体的生长环带记录了这一变化(图1)。因此,矿物的原位微区元素、同位素分析为示踪岩浆源区和演化过程提供了有效手段。目前常用的原位微区示踪手段主要是锆石的Hf(O)同位素、磷灰石(榍石或者帘石)的Nd同位素和磷灰石、长石的Sr、Pb同位素。3.1锆石u-pb年龄和岩石学组成Lu-Hf同位素体系是近年来发展极为迅速的同位素定年和地球化学示踪技术,广泛应用于地学研究中,如含石榴石、磷灰石岩石的同位素定年、探讨早期大陆地壳演化、不同端员地幔的性质等[37,38,39,40,41,41](表2)。它的发展大体上可分为3个阶段:TIMS阶段,Hot-SIMS阶段和MC-ICPMS阶段,其中多接受等离子体质谱(MC-ICPMS)技术的出现,尤其是原位微区分析方法的建立和开发,大大提高了Lu-Hf体系在研究应用中的地位。锆石是花岗岩类岩石中常见的副矿物,是U-Pb同位素定年的重要对象。随着近年来向微区高精度方向发展,锆石的离子探针(SIMS)与激光探针(LA-ICPMS、LA-MC-ICPMS)等成为目前U-Pb同位素定年的重要方法。锆石的理想晶体化学式为ZrSiO4,多数锆石中含有0.5%~2.0%的Hf(质量分数),因而也是进行Hf同位素测定的理想矿物。近几年随着多接收电感耦合等离子质谱技术(MC-ICPMS)的出现,锆石的激光原位微区(in-situ)Hf同位素分析方法得以建立和完善。锆石的LA-MC-ICPMSHf同位素的测定精度不仅可以和TIMS技术测定精度相当,而且对样品的制备要求大大降低,加速了测试的速度。锆石中由于Lu/Hf比值很低(一般小于0.002),因此由176Lu衰变生成的176Hf极少,锆石的176Hf/177Hf代表了该锆石形成时的176Hf/177Hf比值,从而为讨论其成因提供主要信息。花岗岩在成岩过程中经历了广泛的地壳混染和岩浆混合作用,由于不同性质的岩石及其源岩的同位素组成可能存在一定的差别,这为识别岩浆作用过程中不同组分的混入提供了重要工具。花岗岩中的具有火成结构的细粒镁铁质包体(maficmicrogranularenclave,MME)标志着花岗岩在成岩过程中镁铁质岩浆的混入,对这些包体的研究,可以查明长英质岩浆形成的热源、参与花岗岩成岩的地幔源区特征、大陆地壳生长机制和壳幔相互作用过程。然而,镁铁质岩浆在上升过程中与长英质岩浆发生混合,并且多被地壳物质混染,全岩地球化学和同位素组成不能代表原始岩浆的源区特征。锆石Hf同位素为解决这一问题提供了新的途径。岩浆锆石具有较高的结晶温度和较高的Lu-Hf同位素封闭温度,锆石的Hf同位素组成代表了锆石结晶时岩浆的同位素组成。因此,结合锆石的CL(cathodoluminescence)图像和U-Pb年代学,查明岩浆混合之前结晶的锆石或者锆石核部,其Hf同位素可有效示踪花岗岩原始岩浆和镁铁质岩浆源区的端员组分。随着混合作用的进一步进行,两种岩浆的Hf同位素组成由于相互混合而发生变化,锆石的继续生长,从而导致花岗岩中锆石的核部和边部虽然具有相同的锆石U-Pb年龄,但却具有不同的Hf同位素组成;而闪长质包体中锆石的CL图像显示,这些锆石明显发生了岩浆熔蚀现象,并且不同部位的Hf同位素组成明显不同(图2)。因此,岩石中不同颗粒锆石和锆石不同结构的Hf同位素组成变化反映结晶过程中岩浆成分的变化。Griffin等通过分析华南平潭和桐庐杂岩体不同类型岩石中锆石的原位微区微量元素和Hf同位素组成,发现不同类型的岩石具有较大变化范围的微量元素和Hf同位素组成,从而提出华南晚中生代I型花岗岩在成岩过程中经历了强烈的岩浆混合作用;汪相等对湖南强过铝质的丫江桥岩体锆石的Hf同位素研究发现,该岩体岩石中绝大部分锆石的Hf同位素比值较低(176Hf/177Hf=0.282381~0.282591),表明该岩石主要来源于地壳岩石的部分熔融,但有地幔物质的加入。需要指出的是,上述岩石的锆石Hf同位素比值变化范围太小,是否真正体现了岩浆混合作用仍需进一步资料的验证。最近,Yang等对辽东半岛古道岭的工作提供了这方面研究的范例。这两个岩体中发育有典型的岩浆混合现象,锆石U-Pb年龄显示,混合作用的长英质端员(二长花岗岩)和镁铁质端员(闪长质包体)具有一致的结晶年龄。Hf同位素测定显示,闪长质包体中锆石的Hf同位素变化范围很大(εHf(t)=-25.3~+4.5,多数在-4~+4.5),而二长花岗岩中锆石的εHf(t)值集中在-22左右,表明该混合作用的两个端员具有完全不同的Hf同位素组成,其中长英质端员锆石的Hf同位素与辽东地区大面积花岗岩锆石的Hf同位素一致,反映为古老地壳源区,而镁铁质端员可能来源于软流圈或者弱亏损的岩石圈地幔。Hawkesworth和Kemp也得出类似的结论。辽东半岛早白垩世古道岭和晚三叠世岫岩岩体细粒镁铁质包体中锆石的εHf(t)为正值,因此可以推断镁铁质岩浆的亏损地幔源区属性(εHf>0),从而提出华北东部克拉通破坏过程中大陆地壳的垂向增生机制(图3)。需要指出的是,亏损地幔组分的识别是常规地球化学示踪方法力所不及的。花岗岩类岩石中通常含有继承锆石、捕获锆石或者具有核的锆石,它们具有相对较老的U-Pb年龄,明显老于长英质岩浆本身所结晶的锆石年龄,并且具有不同的Hf同位素和微量元素组成。这些古老锆石或核部的存在表明长英质岩浆在上升或者就位过程中遭受了围岩物质的混染作用(图3)。再者,天然锆石富含微量的稀土元素和P(质量分数约10-5~10-3),一般重稀土元素(HREE)含量高于轻稀土元素(LREE)。国内外一些学者试图利用锆石和熔体之间元素的分配系数和锆石内部环带不同REE含量定量反演熔体的REE含量,从而揭示岩浆演化过程中成分的变化,根据岩石的化学成分和矿物信息探讨岩浆形成的条件。例如,Watson等建立的锆石Ti温度计,用来推算岩浆形成的温度。随着锆石原位微区Hf、O同位素分析方法的完善,结合锆石的CL、BSE图像,原位微区微量元素和U-Pb年龄等方法,逐渐形成一门学科——锆石学。这门学科将在今后花岗岩成因研究中起到前所未有的作用。3.2矿物原位微区sr-pb同位素分析方法Rb-Sr同位素体系是同位素地质学研究中的一个重要部分,不仅能够提供年代学方面的信息,而且可有效提供源区以及成因的信息。前人通常分析全岩或单矿物颗粒尺度上Rb-Sr同位素组成用来定年或者示踪,并取得了显著的成果。在花岗岩类岩石研究中,通常采用全岩Sr同位素组成代表长英质岩浆的初始Sr同位素组成,但Rb是易迁移元素,在岩石结晶之后的地质作用中容易发生改变,造成全岩初始Sr同位素的不确定性,再者,对于富含Rb的A型花岗岩和高分异花岗岩来说,如果分析过程中Rb/Sr比值的分析误差达1%,就会造成花岗岩的初始Sr同位素比值的计算带来很大的偏差(图4)。但随着矿物原位微区以及微颗粒尺度分析技术的进步,原位微区Rb-Sr同位素方法在岩浆作用研究中取得了重要进展,磷灰石和长石的原位微区Sr同位素可有效解决这一问题。U-Th-Pb同位素体系是同位素测年常用的工具之一,自然界中Pb本身存在多个放射性成因的子体,如208Pb、207Pb、206Pb。不同的同位素比值,如208Pb/204Pb、207Pb/204Pb、206Pb/204Pb等,可以提供不同的与成因相关的信息。斜长石是基性到酸性岩石中普遍存在的主要造岩矿物,形成的温压条件很宽;斜长石对于熔体的成分变化比较敏感,而且经常存在容易分辨的熔蚀边,单颗粒内部主量元素、微量元素和同位素的变化为研究岩浆作用提供了大量信息。斜长石中的Sr元素丰度高,LA-MC-ICPMS的原位分析具有足够高的分析精度,Rb/Sr比值、U-Th含量低,而且与Sr同位素相比,Pb同位素不存在同质异位素的干扰,适合于原位微区Sr和Pb同位素分析。磷灰石是岩石中常见的另外一种副矿物,广泛存在于花岗岩类岩石之中,富含Ca和Sr,适合于原位微区分析。目前原位微区Sr、Pb同位素分析方法只有3种:二次离子探针(SIMS)、多接收等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)、微钻(microdrill)取样与热电离质谱(TIMS)相结合。SIMS具有很好的空间分辨率,可以实现较小区域的分析(<30μm),但是分析的精度比较低;而TIMS虽然具有较高的分析精度,且同质异位素的干扰小,但是由于其前期的化学处理很繁琐,增加了分析过程中本底的干扰;LA-MC-ICPMS的分析速度占很大的优势,但是却需要复杂的干扰校正,而且对待测样品具有很大的破坏性。选择适当的分析方法非常重要,需要同时兼顾分析精度、空间分辨率、干扰的校正等方面。Davidson等通过分析Mexican带中MexicoEIChichon火山中斜长石的原位微区Sr同位素组成(图5),证明发生了长英质岩浆在形成和演化过程中发生了岩浆再充填作用,斜长石高87Sr/86Sr的核部是早期地壳混染的结果;而低87Sr/86Sr的边部则揭示了基性岩浆的贯入。同样,Tepley等通过分析火山岩中斜长石颗粒的化学组成、同位素以及结构特征,揭示EIChichon火山岩的岩浆混合、地壳混染以及基性岩浆的不断加入的演化历史。Gagnevin等通过分析意大利MonteCapanne二长花岗岩体中钾长石斑晶核部到边部的Sr同位素组成发现,斑晶从核部到边部初始Sr同位素比值明显降低,结合斑晶Ba、Rb、Sr等元素的含量变化以及矿相的熔蚀边结构,作者提出该岩体存在两种不同性质的岩浆混合,钾长石斑晶早期生长在发生过地壳混染的、高Sr同位素比值的硅酸质岩浆中(如核部),而晚期岩浆的Sr同位素组成由于基性岩浆的混合而降低。长石Sr、Pb同位素的联合应用可更有效示踪岩浆演化的过程。Wolff和Ramos通过分析新墨西哥地区Bandelier火山熔岩中透长石Pb同位素发现,该透长石Pb同位素比值变化范围为17.790±0.002~17.831±0.002,而Sr同位素的变化范围为0.7074~0.7052。从而否定了前人提出的长期岩浆房的存在以及Rb-Sr等时线,而提出开放体系下岩浆混合模型。长石的Sr、Pb同位素体系封闭温度相对较低,虽然很难示踪原始岩浆的同位素组成,但矿物不同颗粒或者矿物的核部、边部同位素组成的变化直观地反映了晶体生长过程中岩浆体系的演化。与长石相比,磷灰石的Rb-Sr同位素体系封闭温度相对较高,可有效示踪原始岩浆的同位素组成。3.3原位微区nd同位素分析方法Nd同位素是地球化学和地质年代学的重要组成部分,是探讨岩石成因和壳幔演化最重要的示踪手段。目前广泛采用的Nd同位素测定方法是全岩样品经过溶解后至少进行2次离子交换分离等纯化之后,用热电离质谱(TIMS)对纯Nd组分进行质谱测定,从而获得Nd同位素组成。全岩Nd同位素代表所测样品不同组成部分的平均值,由于地质过程本身的复杂性,天然矿物内部同位素组