徐健等-GSAB:幔源基性巖漿不同深度下的分離結晶作用控制島弧地殼的生長和分異
大陸地殼通常被認為是由基性的下地殼和酸性的花崗質巖石為主的上地殼組成,總體具有安山質-英安質的平均地球化學組成,類似于島弧巖漿巖。很多學者因此認為現(xiàn)代大陸地殼大多形成于俯沖帶。在俯沖帶環(huán)境,俯沖板片釋放的富水的流體或者熔體交代的地幔橄欖巖部分熔融一般形成的是基性巖漿即下地殼。酸性的花崗質上地殼的形成則需要通過特定的巖石化學的分異過程:(i)幔源玄武質巖漿的分離結晶 或者(ii)地殼巖石(變火成巖/沉積巖)的部分熔融。前者形成新生的大陸地殼,而后者主要涉及先存的大陸地殼巖石的重熔,是地殼內部的再循環(huán),無地殼凈生長。目前,關于島弧基性巖漿分離結晶形成花崗質巖石的具體過程尚不完全清楚。位于青藏高原東南部古特提斯哀牢山構造帶中出露有相對完整的同時代(ca.237-235 Ma)的島弧巖漿巖組合(圖1),巖石類型豐富,包括角閃石閃長巖-花崗閃長巖-埃達克質花崗巖和正常島弧花崗巖,為研究島弧地殼的分異和生長過程提供了很好的契機。

圖1.青藏高原東南緣哀牢山構造帶地質簡圖及采樣位置
針對上述科學問題,中國科學院廣州地球化學研究所的博士后徐健、夏小平研究員、王強研究員與皇后大學Christopher J. Spencer合作,對哀牢山構造帶中的埃達克質花崗巖和正常島弧花崗巖開展了詳細的野外地質考察、巖石學、年代學、主微量元素和Sr-Nd- Hf-O同位素分析,揭示了島弧幔源基性巖漿分離結晶形成花崗質巖石具體過程。本次研究發(fā)現(xiàn):
(1)新發(fā)現(xiàn)的哀牢山埃達克質花崗巖和正常島弧花崗巖侵位于中三疊世(ca.237 Ma),與區(qū)域報道的島弧基性巖(俯沖沉積物熔體交代地幔楔部分熔融形成的角閃石閃長巖, ca. 237-235 Ma;Xu et al., 2020)時代一致,主微量元素組成上具有良好的演化趨勢(圖2),且兩者具有類似的Sr-Nd-Hf-O同位素組成(圖3),指示花崗質巖石與同時代島弧基性巖具有演化關系。
(2)埃達克質花崗巖具有較高的Sr(492-975 ppm)含量,虧損重稀土(HREEs),且HREE和Y與SiO2顯示負相關系(圖4a-b);其埃達克質高Sr/Y(61–183) 和La/Yb (47–90)比值與SiO2含量顯示良好的正相關關系(圖4c-d)。微量元素分離結晶模擬(圖5a-b)顯示埃達克質花崗巖可以通過同時代的幔源基性巖漿在較高壓力(下地殼深度)條件依次經(jīng)歷①石榴子石+單斜輝石+斜方輝石;②角閃石+磁鐵礦;③磷灰石+褐簾石等礦物的分離結晶所形成。此外,其Sr-Nd同位素組成以及SiO2與εNd(t) (圖3b)和Nb/La(圖2g)的負相關關系均指示巖漿分異過程中還經(jīng)歷了一定程度的地殼混染。
(3)正常島弧花崗巖具有Sr-Eu的負異常,虧損中稀土 (MREEs; 如 Gd 和Dy),相對較低的Sr/Y (1–10)和La/Yb (4–11)比值,其Gd/Yb與SiO2含量具有負相關關系(圖2h)。微量元素分離結晶模擬(圖5c-d)顯示正常島弧花崗巖可以通過同時代的幔源基性巖漿在較低壓力(中/上地殼深度)條件依次經(jīng)歷①單斜輝石+斜方輝石;②角閃石+斜長石+磁鐵礦;③鉀長石+磷灰石+褐簾石等礦物的分離結晶所形成。
綜上,作者及其研究團隊通過對兩組不同類型的島弧花崗質巖石的研究詳細地刻畫了島弧地殼的生長與分異過程,即俯沖帶幔源基性巖漿在不同壓力(不同島弧地殼深度)條件下,通過不同礦物組合的分離結晶,從而演化成花崗質的大陸地殼。
本研究成果近期發(fā)表在地球科學領域期刊《GSA Bulletin》上。本項研究受到二次青藏科考(2019QZKK0702)、國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0600407)和中國博士后科學基金(2020M672851)等項目的聯(lián)合資助。
論文信息:Xu Jian (徐健), Xia, Xiao-Ping* (夏小平), Wang, Qiang (王強), Christopher Spencer., Chun-Kit Lai & Zhang Le (張樂) (2022). Two magma fractionation paths for continental crust growth: Insights from the adakite-like and normal-arc granites in the Ailaoshan fold belt (SW Yunnan, China). GSA Bulletin. doi: https://doi.org/10.1130/B36230.1

圖2. 主微量元素演化圖解

圖3. 埃達克質花崗巖與正常島弧花崗巖同位素組成

圖4. 微量元素及其比值隨SiO2變化趨勢(LP-FC:低壓分離結晶;HP-FC:高壓分離結晶)
圖5. 微量元素分離結晶模擬

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