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徐健等-GSAB：厘定一套俯冲带纯沉积物熔融形成的S型花岗岩

撰稿： 发布时间：2021-06-22

        地球不同于太阳系其他行星的一个主要特点：存在主要由花岗质岩石组成大陆地壳。这些花岗质岩石记载了大陆乃至整个地球的演化历史，具有非常重要的科学意义。前人将由变火成岩部分熔融而成的花岗岩称为I型花岗岩，由变沉积岩部分熔融而成的花岗岩称为S型花岗岩（Sediment-derived granite）。S型花岗岩最原始定义来自对澳大利亚拉克兰造山带地区出露的花岗岩的研究，认为其原岩为变沉积岩。因此，S型花岗岩经常被用作代表某一地区的上地壳元素和同位素组成的地球化学端元。但是，随着研究的深入，越来越多的学者发现，那些被认为是“S型花岗岩”的源区其实并不“单纯”，均显示出一定程度的幔源物质的加入。纯沉积物来源的S型花岗岩远比想象中的要少，而误用非纯沉积物来源的花岗岩作为地壳的地球化学端元，会造成很多不合理甚至是错误的结论。因此厘定纯沉积物来源的S型花岗岩就成了地质学家一个重要的研究课题。

　　最近，Hopkinson et al. (2017)对喜马拉雅造山带淡色花岗岩进行了系统的锆石Hf-O-U-Pb同位素分析，结果显示其源区不存在任何幔源物质的加入，因此作者认为喜马拉雅造山带淡色花岗岩相比拉克兰造山带非纯沉积物来源的花岗岩而言，才是真正意义上的S型花岗岩。

　　俯冲带作为壳幔相互作用比较强烈的构造部位，在大陆地壳生长方面扮演着重要的角色。那么俯冲带是否存在纯沉积物来源的S型花岗岩呢？如果存在，它们又是在什么样的地球动力学机制下形成的呢？不同构造环境下纯沉积物来源的S型花岗岩地球化学组成特征是否相同？这些科学问题的答案对于理解地壳深熔的地球动力学机制具有重要的指示意义。

　　中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越研究中夏小平老师团队博士后徐健及其合作者通过对中国云南点苍山-哀牢山地区（图1）的二叠纪-三叠纪花岗岩基性了详细的锆石U-Th-Pb和Hf-O同位素，以及全岩主微量元素、Sr-Nd-B同位素等地球化学特征进行分析，识别了一套形成于俯冲构造背景下的纯沉积物熔融的S型花岗岩。
图1 云南点苍山-哀牢山区域构造地质简图
图2 点苍山-哀牢山地质简图
图3 点苍山-哀牢山手标本及显微镜照片

　　这套二叠纪-三叠纪花岗质岩体(ca. 248-254 Ma)主要出露于云南点苍山-哀牢山褶皱带的变质杂岩体(片麻岩) (图2A-B)，花岗岩根据其矿物组成可分为三类：二云母花岗岩（图3C-D），含电气石花岗岩（图3E）以及黑云母花岗岩（图3F）。主量元素组成显示，这三类花岗岩源区均为强过铝质花岗岩（A/CNK>1.1），原岩变泥质岩（图4）。
图4 主量元素源区判别二元图解

　　此外，点苍山-哀牢山强过铝质花岗岩具有壳源富集的Sr-Nd同位素组成（(87Sr/86Sr)I = 0.7000-0.7311；εNd(t) = -10 to -13），类似页岩的B（7-108 ppm）含量和δ11B（-15.4‰ to -9.8‰）组成特征（图5），均指示其源区主要为变泥质岩，无幔源物质的加入。
图5 点苍山-哀牢山强过铝质花岗岩B含量和δ11B组成

　　研究区的强过铝质花岗岩中含有大量的元古代-古生代（ca.2438-396）的继承锆石，对花岗岩中的结晶锆石和继承锆石进行原位Hf-O同位素分析发现，结晶锆石总体具有较高的δ18O（9‰-12‰），较低的εHf(t)（-6 to -17）组成 (图6)。二元混合模拟显示，无任何幔源物质加入的趋势。同时，所有结晶锆石的εHf(t)值均落入继承锆石的εHf(t)-年龄演化趋势上，不显示任何向亏损地幔演化的趋势。
图6 A-锆石δ18O–εHf(t)二元混合图； B-锆石εHf(t)-U-Pb年龄图
图7 点苍山-哀牢山晚二叠世-早三叠世纯沉积物来源S型花岗岩形成模式图

　　综上，作者认为点苍山-哀牢山强过铝质花岗岩源区为纯沉积物，没有可检测的幔源物质加入。结合区域大地构造背景及存在的同时期岛弧岩浆岩记录，作者认为该纯套沉积物来源的S型花岗岩形成于俯冲构造背景，是加厚的弧后盆地沉积物减压熔融的产物 （图7）。与喜马拉雅造山带S型花岗岩对比发现，点苍山-哀牢山俯冲带型纯沉积物来源S型花岗岩具有更高的形成温度，更低的形成压力，表现在地球化学组成上显示出具有更高的Al2O3/TiO2比值和Yb含量（图8）。

　　因此，纯沉积物S型花岗岩在俯冲带的识别，无论在构造环境上，还是在地球化学组成上都是对造山带型S型花岗岩的一个重要补充，极大的丰富了地壳深熔的动力学机制。
图8 点苍山-哀牢山俯冲带型S型花岗岩(A) CaO/Na2O vs. Al2O3/TiO2, (B) Tzr vs. SiO2, 和 (C) Sr vs. Yb 二元图解

　　该项工作成果6月18日在线发表于国际著名地学类期刊GSA Bulletin。

　　相关论文链接：

　　https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/gsabulletin/article/doi/10.1130/B36016.1/602698/Pure-sediment-derived-granites-in-a-subduction

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