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2022年08月15日
中国科大在俯冲带同折返岩浆作用地球化学方面取得重要进展

近日,我校地球和空间科学学院陈伊翔教授研究组在俯冲带同折返岩浆岩地球化学方面取得重要进展。他们在世界典型的大陆碰撞造山带中发现了形成于碰撞结束之际的多个同折返花岗岩体,揭示了矿物分离结晶作用对花岗质熔体地球化学成分的影响,查明了高硅花岗岩的重Fe同位素组成特征受控于熔体的矿物结晶分异作用。这对理解造山带岩浆作用、深俯冲陆壳化学分异以及高温Fe同位素体系都具有重要意义。相关成果已于8月14日发表在国际地球化学领域著名学术期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

大陆碰撞造山带深俯冲陆壳的部分熔融会显著影响造山带的动力学演化、壳幔相互作用和陆壳化学分异,因此具有重要研究意义。然而,目前对造山带中岩浆产生与构造演化之间的成因联系仍不清楚,特别是造山带中广泛出现的花岗岩与造山带演化之间如何关联起来仍不明确。此外,高硅花岗质熔体粘度大、与矿物之间的密度差小,在岩浆演化过程中它能否发生显著的矿物结晶分异,学术界一直存在不同认识。Fe同位素在地球壳幔演化过程中应用广泛,业已发现高硅花岗质熔体具有显著偏重的Fe同位素组成,但对其成因一直有较大争议。

针对以上这些问题,陈伊翔研究组选择了中国中东部苏鲁造山带的同折返花岗岩进行研究。苏鲁造山带是世界上典型的大陆碰撞造山带,其原岩属性、变质历史和造山带演化过程都已得到很好制约。这些为探讨造山带中深俯冲陆壳岩石的部分熔融和熔体组成演化特征奠定了坚实基础。

他们在之前研究的基础上(Zhao et al., 2017-GSA Bulletin; Zhou et al., 2020-GCA),又在苏鲁造山带新发现多个晚三叠世花岗岩体。通过锆石U-Pb定年和O同位素分析,揭示了这些花岗岩体形成于深俯冲华南陆壳在折返初期的降压熔融作用。这表明,深俯冲大陆地壳在峰期超高压变质之后10-20 Myr会发生显著的降压熔融,产生相当规模的同折返花岗质岩浆作用。

这些同折返花岗岩的SiO2含量与其它主微量元素都显示了良好的相关性,为其经历显著的黑云母/白云母、斜长石、钛铁矿的分离结晶提供了可靠证据。同时,同折返岩浆锆石的Hf和Nb含量及其与Eu/Eu*之间的相关性也指示,花岗质岩浆经历了显著的矿物分离结晶作用。这些结果揭示,高粘度、低密度的高硅花岗质熔体仍然可以经历较强的矿物结晶分异作用。

这些花岗岩的Fe同位素组成与TFe2O3、Fe3+/∑Fe、主量元素(SiO2、Al2O3、CaO)、微量元素(Nb/Ta、Sr、Eu/Eu*)之间都显示出显著的相关性(图1)。这是迄今为止在高Si花岗岩中发现的Fe同位素与全岩主微量元素之间最显著的相关性。这种相关性指示,黑云母、钛铁矿等富Fe矿物的分离结晶是Fe同位素变化的控制因素,而部分熔融和流体出溶等过程对全岩Fe同位素组成的影响都极为有限。

此外,他们在同折返花岗岩的深熔成因锆石域还发现了柯石英这种超高压指示矿物。这是首次在花岗岩的深熔成因锆石中发现柯石英。这表明,在经历大陆深俯冲的超高压变质带中,花岗质熔体有可能记录从地幔深度初始熔融到后来岩浆结晶分异的一系列过程。这对示踪地壳从部分熔融到结晶分异的岩石学和地球化学演化非常重要,需要在未来的研究中加以重视。

中国科大博士研究生马赫志为论文第一作者,陈伊翔教授是通讯作者。该成果得到了中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目的资助。

图1.苏鲁造山带同折返花岗岩的全岩Fe同位素组成与主微量元素相关图

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.06.031.


(中科院壳幔物质与环境重点实验室、地球和空间科学学院、科研部)

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