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王军等-JP：发现幔源岩浆的石榴石分异形成高镁埃达克质岩的直接证据

撰稿：发布时间：2021-05-17

        阐明高镁埃达克岩的成因对理解大陆地壳和斑岩型矿床的形成过程至关重要。现今弧环境的埃达克岩通常具有相对高的Mg#和MgO含量（即贫铁的钙碱性特征），通常被认为是俯冲板片熔体与地幔相互作用的产物。但是一些案例研究以及大数据统计发现，弧岩浆的全岩地球化学变化（如铁的亏损伴随着重稀土亏损）指示高压下幔源岩浆的石榴石分异可能是形成高镁埃达克岩的主要途径，然而在高镁埃达克岩中并没有发现岩浆成因的石榴石。虽然前人在弧地壳剖面以及下地壳包体中发现了石榴石，但是难以确定其是岩浆还是变质成因。此外，已报道的一些含石榴石的中酸性岩浆岩都具有低Sr和Sr/Y的特征或者属于贫镁的淡色花岗岩。因此，幔源岩浆的石榴石结晶分异模型仍然缺乏直接的矿物学证据，这也导致我们对幔源岩浆结晶和保存石榴石的机制缺乏认识。
        针对上述科学问题，中国科学院广州地化所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心王军博士、但卫副研究员、王强研究员和唐功建研究员对青藏高原中部羌塘保护站闪长斑岩进行了详细的矿物学、年代学和地球化学研究，取得了以下认识：
        （1）保护站闪长斑岩形成于晚三叠世（~220Ma），具有高的Mg#（45–65），根据斑晶矿物组成和比例，可以将其分为三类。其中第一类不含石榴石且不具有埃达克质特征，第二、三类含石榴石且具有埃达克质特征；从第一类、第二类到第三类岩石，全岩MgO逐渐降低，重稀土逐渐亏损（图1a）。

图1.（a）全岩稀土配分图；（b）锆石与石榴石的重稀土分配系数。

（2）石榴石为富钙贫锰的铁铝石榴石（图2a），与幔源岩浆高压结晶石榴石组成一致（图2b）。第三类闪长斑岩的石榴石具有比第二类更高的CaO和Dy/Yb以及低的MgO（图2b、d），这些差异也体现在它们的寄主全岩上，即石榴石组成随着寄主全岩的组成变化而变化；石榴石与岩浆锆石之间的重稀土分配系数与实验测得的平衡分配系数一致（图1b）；且正交光下可见石榴石与长石斑晶存在交生关系。这些都表明石榴石是从寄主岩浆中结晶的，而不是捕掳晶。

图2. 石榴石主微量组成（变质岩和实验结晶的石榴石作为对比）

（3）随着岩浆分异演化，不同期次结晶的角闪石（图3a）、石榴石（图2c）、锆石（图1b）以及它们的寄主全岩（图1a）的重稀土逐渐亏损，且结晶于石榴石之前的角闪石平衡岩浆（即母岩浆）并不具有全岩的埃达克质特征，这些都表明石榴石分异控制了全岩和矿物的组成变化。不同期次角闪石Dy/Yb和Eu异常的变化（图3a）表明石榴石首次结晶于角闪石之后，但斜长石之前；结合相图、角闪石温压计和长石湿度计结果（图3b），我们认为石榴石结晶的理想条件是富水（>5wt.%）的幔源岩浆滞留在下地壳（~1GPa）发生等压降温分异（图3b蓝色虚线）。如果发生岩浆缓慢上升导致的降压降温分异（图3b红色虚线），则不会结晶石榴石（如第一类闪长斑岩）。

图3.（a）不同期次的角闪石稀土配分图；（b）含水（5 wt.%）安山岩相图与角闪石温压估计值，其中红、蓝实线是根据矿物结晶顺序限定的岩浆演化通过的温压区间。

（4）准铝质的原生幔源岩浆在下地壳不会饱和富铝的石榴石，只有当贫铝的辉石和角闪石先结晶分异，且斜长石结晶受到抑制时，残余岩浆才会演变为少见的过铝质中性岩（图3b和图4），最后石榴石才开始结晶（如第二、三类闪长斑岩）。此外，由于富钙石榴石低压容易分解且密度高，所以在火山岩或斑岩中保存石榴石则要求石榴石结晶之后，寄主岩浆快速上升。简而言之，从岩浆的下地壳滞留演化到快速上升，意味着区域应力状态从挤压到伸展的迅速转变，这与研究区在晚三叠世处于古特提斯洋闭合的区域伸展演化吻合。

图4. Pl投影的Ol-Cpx-Qtz三元图来表示角闪石、石榴石以及寄主闪长斑岩的组成变化（不同压力实验得到的液相演化线做为对比）。

因此，本研究提供了石榴石分异形成高镁埃达克岩的直接矿物学证据，也详细阐明了石榴石结晶和保存的物理化学条件。研究成果已经发表在《Journal of Petrology》上，该研究受国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、第二次青藏科考、国家重点研发等项目的联合资助。
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.相关链接https://doi.org/10.1093/petrology/egaa099。

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