地幔與殼幔相互作用的研究進展

地幔與殼幔相互作用的研究進展

1979年，手稿和圍巖將a型花崗巖引入地質(zhì)文獻。從那時起，國內(nèi)外地質(zhì)資料對a型花崗巖的研究有所增加。陳培榮、張邦桐（1994）、徐寶良等（1998）進行了評論。最近10年A型花崗巖的研究又取得了很多新進展,值得總結(jié)和探討,本文就A型花崗巖概念、分類、判別標(biāo)志、物質(zhì)來源、巖石成因及構(gòu)造環(huán)境等問題做一綜述。1關(guān)于a型火山巖mildlain,u-和型alka的巖石Loiselle和Wones(1979)最早將A型花崗巖定義為堿性(alkaline)、貧水(anhydrous)和非造山(anorogenic)的花崗巖,以3個外文詞的首字母“A”命名,不涉及其成巖物質(zhì)來源。Pitcher(1993)和King等(1997)又將其定義為富鉀長石的花崗巖(potassiumfeldspar_richgranite),并認為A型花崗巖以適度堿性(mildlyalkaline)及高的(Na2O+K2O)與典型的鈣堿性(calc_alkaline)Ⅰ型花崗巖明顯不同(肖慶輝等,2002)?，F(xiàn)在人們所討論的A型花崗巖包括了除典型的S型(強過鋁質(zhì))和I型以外的各種花崗巖,也不限于“貧水”特征和“非造山”環(huán)境,化學(xué)成分有時與Ⅰ型過渡,所以Creaser等(1991)曾建議將A型花崗巖作為I型花崗巖的一個亞類,袁忠信(2001)曾建議采用“堿性花崗巖類”一詞代替?zhèn)鹘y(tǒng)的A型花崗巖,但未引起重視。其實A型花崗巖與Ⅰ型花崗巖在化學(xué)成分上出現(xiàn)過渡并不奇怪,因為在分類標(biāo)準(zhǔn)上前者強調(diào)的是構(gòu)造環(huán)境而后者偏重的是花崗巖的源巖(火成巖)。同樣,化學(xué)成分上屬于S型花崗巖的某些花崗巖也可以劃歸A型花崗巖。因此術(shù)語使用上的分歧很正常。隨著研究范圍的擴大和研究程度的加深,人們對A型花崗巖及其代表的地球動力學(xué)意義的認識漸趨全面。目前對A型花崗巖尚沒有一個統(tǒng)一的概念,但其總體特征為:高FeO*/MgO、Ga/Al,富集HFSE、Y(Ce),低Ca、貧Fe和Mg,強烈虧損Ba、Sr、Eu、P、Ti,在常用判別圖解中多數(shù)能落入A型區(qū)的花崗巖類。通常可以將A型花崗巖劃分為不同的化學(xué)成分類型或巖石學(xué)類型。2俄羅斯開展哲學(xué)之主要研究對于A型花崗巖,不同學(xué)者有不同的分類方案。其中提出時間最早的是Eby(1992)的不相容元素比值分類。該分類方案簡單明了,至今仍受到很多地質(zhì)學(xué)家的推崇。隨著A型花崗巖概念的擴大和研究程度的提高,逐漸流行起按堿性及鋁質(zhì)程度的分類方案(其最初提出者已無從考證),并試圖與Eby的分類進行對比研究,這種分類得到了大多數(shù)學(xué)者的認可?？紤]到巖石學(xué)特征的直觀性,許保良等(1998)曾經(jīng)提出結(jié)合構(gòu)造環(huán)境的巖石學(xué)分類方案,可惜未得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)將這3種分類方案分別介紹如下。2.1成巖物質(zhì)來源按照化學(xué)成分,Eby(1992)將A型花崗巖分為兩個亞類:A1及A2型,也有人將它們對應(yīng)地稱為AA(AnorogenicA_Type)型和PA(Post_orogenicA_Type)型(袁忠信,2001)。A1亞類中Rb、Ce、Y、Nb、Sc、Zr、Hf、Ta、Ga等不相容元素的比值與洋島玄武巖(OIB)相似,顯示其物質(zhì)來源以地幔為主(可有一定的地殼混染);A2亞類中的這些元素比值則變化較大,顯示其相似范圍從陸殼到島弧玄武巖(IAB),其成巖物質(zhì)來源主要是未變質(zhì)沉積巖的地殼源巖。實際上還有A1_A2過渡類型。2.2鋁質(zhì)-堿質(zhì)巖亞按其堿質(zhì)高低可以分為堿質(zhì)和堿性A型花崗巖兩個亞類,它們的共同特點是普遍含有副礦物螢石(富氟),主要成分富堿、貧Al和Ca,微量元素中富集Y、Zr而虧損Sr、Eu、P、Ti,稀土元素配分模式呈現(xiàn)右傾海鷗狀(負Eu異常)。二者區(qū)別在于堿性者比堿質(zhì)者更富堿(有堿性暗色礦物出現(xiàn)),極富Y、Zr、Ta而極度虧損Ba、Sr、Eu、P、Ti,并且具強烈的負Eu異常。國內(nèi)地質(zhì)學(xué)家上世紀90年代中后期研究最詳細的也是這兩個亞類。劉紅濤等(2002)在研究華北克拉通北緣中生代花崗巖及其構(gòu)造演化時對這兩個亞類做過比較。傳統(tǒng)的A型花崗巖并不包括鋁質(zhì)系列,Miller(1985)、Poitrasson等(1994)和Paul(1998)曾經(jīng)探討過鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)巖漿與非造山環(huán)境問題,發(fā)現(xiàn)有一部分鋁質(zhì)花崗巖在礦物學(xué)和巖石化學(xué)特征上與I型和S型明顯不同,與A型倒是有相似之處。King等(1997)詳細研究了澳大利亞Lachlan褶皺帶鋁質(zhì)A型花崗巖的特征和成因,隨后在國內(nèi)引起重視。邱檢生等(2000)系統(tǒng)研究了福建沿海鋁質(zhì)A型花崗巖的地質(zhì)和地球化學(xué)特征,指出其主要礦物組合為Q+Ar+Pl(石英+鉀長石+斜長石),鐵鎂礦物的含量很低(<2%),且主要為黑云母,常有富鋁特征礦物石榴石和白云母等,與堿性花崗巖相比相對富鋁,過堿指數(shù)和Fe2O3含量較低,多陽離子參數(shù)R2值較高,Ti和P含量很低,Nb、Ta、Zr、Hf、Ga、Y和Zn等元素的含量及稀土元素總量和Ga/Al比值均偏低,但輕、重稀土元素的分餾程度(尤其是重稀土元素的分餾程度)較高,并根據(jù)兩類巖石具有相似的稀土和微量元素分布模式,結(jié)合相似的釹同位素組成,推斷兩者具有相似的巖漿源區(qū),均為殼幔物質(zhì)混熔的產(chǎn)物。近5年來,陳丹玲等(2001)、包志偉和趙振華(2002)、賀峰等(2004)、劉昌實等(2005)、孫德有等(2005)、付建明等(2005)先后報道了他們對鋁質(zhì)A型花崗巖及其構(gòu)造環(huán)境的研究成果,其中包括準(zhǔn)鋁質(zhì)、鋁質(zhì)和過鋁質(zhì)花崗巖,它們一般屬于A2亞類。2.3a型巖石學(xué)亞類許保良等(1998)總結(jié)了國內(nèi)外A型花崗巖的巖石學(xué)特征,劃分出非造山和造山期后兩種構(gòu)造環(huán)境下的7個A型花崗巖巖石學(xué)亞類,包括環(huán)狀雜巖體中的堿性及準(zhǔn)堿性-準(zhǔn)鋁質(zhì)巖類、斜長巖-微紋二長巖-紫蘇花崗巖和鉀質(zhì)(環(huán)斑)花崗巖類、層狀雜巖體中的酸性巖類、正長巖-花崗巖類、二長-正長花崗巖類、堿長-堿性花崗巖類和堿鈣性花崗巖類,其中前4個亞類出現(xiàn)在非造山構(gòu)造環(huán)境,后3個亞類出現(xiàn)在造山期后構(gòu)造環(huán)境。3識別標(biāo)記3.1a型火山巖質(zhì)含有他形堿性暗色礦物及螢石的過堿性花崗巖屬于典型的A型花崗巖,富釷鋯石是堿性A型花崗巖中特征的副礦物之一,環(huán)斑花崗巖多數(shù)是A型花崗巖。但是有部分不含堿性暗色礦物的準(zhǔn)鋁質(zhì)、甚至過鋁質(zhì)花崗巖類也可以是A型花崗巖。許保良等(1998)將世界各地A型花崗巖按實際礦物投影到QAP分類圖解(圖1右)上,Richard等(2004)對阿巴拉契亞地區(qū)也做了類似的統(tǒng)計(圖1左)。由此可知,A型花崗巖的巖石類型范圍雖然很大,但至少可以排除一部分巖石類型,如硅英巖、富石英花崗巖和英云閃長巖。然而進一步的判別不得不依賴于巖石地球化學(xué)圖解。3.2巖石地球化學(xué)評價指標(biāo)3.2.1b、c、i及s型巖界由于A型花崗巖在堿質(zhì)、微量元素及稀土元素等方面與Ⅰ型和S型花崗巖有明顯區(qū)別,Collins等(1982)、Whalen等(1987)、Eby(1990)提出了相應(yīng)的地球化學(xué)判別圖解,例如Na2O-K2O、Ga×104/Al-Zr(或Nb、Ce、Y、Zn等高場強元素)、Ga×104/Al-(K2O+Na2O)/CaO(或K2O/MgO、FeO/MgO等)圖解,另外用FeOT/MgO-SiO2圖解也能很好地把A型花崗巖與其他花崗巖區(qū)分開來。分異作用完全的Ⅰ型、S型長英質(zhì)花崗巖(SiO2>74%)有時與A型花崗巖在化學(xué)成分上很相似,不同學(xué)者為區(qū)分它們而設(shè)計了一系列判別圖解。Whalen等(1987)提出的有Rb/Ba-(Zr+Ce+Y)×10-6圖解、Ce(Nb)-(Ga/AL)×104圖解、Y(Zr)-(Ga/AL)×104圖解、(K2O+Na2O)/CaO-(Zr+Nb+Ce+Y)×10-6圖解和FeOT/MgO-(Zr+Nb+Ce+Y)×10-6圖解,姜耀輝等(1999)在研究浙贛皖相臨地區(qū)A2型花崗巖時用后一圖解就取得了滿意的效果;Eby(1990)設(shè)計的Ga/Al(Th)-Eu/Eu*圖解也很成功。圖解判別A型花崗巖最早需要在Pearce微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解中判定其屬于板內(nèi)花崗巖,但現(xiàn)在可以根據(jù)上述圖解法直接進行多圖解綜合判定,構(gòu)造環(huán)境的判別可以在類型判定之后進行。筆者對國內(nèi)A、M、I及S型花崗巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)做了大量統(tǒng)計,其中A型數(shù)據(jù)最多,遍及蒙、新、川、豫、皖、湘、江、浙、贛、冀、吉及東西昆侖,I型包括浙贛皖相鄰地區(qū)、吉林大玉山、柴北緣及西昆侖,S型有華北陸塊北緣和西昆侖,M型僅以西昆侖為代表。對于主量元素和部分微量元素(包括一些元素的比值),國內(nèi)統(tǒng)計結(jié)果與世界同類型對比列于表1,國內(nèi)各類型花崗巖稀土元素平均含量列入表2。從表1和表2可以看出,A型花崗巖與M、I及S型相比具有如下特點:(1)國內(nèi)外A型花崗巖主量元素特征幾乎完全一致,即富SiO2(平均73.35%～73.81%)、富堿(Na2O+K2O平均8.42%～8.72%)、貧CaO(平均0.75%～0.82%)和MgO(平均0.2%～0.27%);(2)就主量元素中SiO2、(Na2O+K2O)、CaO和MgO含量而言,世界A型花崗巖與其他類型易于區(qū)別,但中國A型與S型則非常接近,幾乎不能區(qū)分;(3)微量元素Nb、Zr、Y、Ga等HFSE含量及Rb/Sr和Rb/Ba比值在A型花崗巖中最高,而且與其他類型花崗巖差別明顯。Rb含量較高,Sr和Ba含量較低。雖然Ba的含量中外差距較大但卻具有完全相同的變化規(guī)律,即I>S>A>M,Nb含量也有類似的規(guī)律,即A>S>I>M。這與蘇玉平等(2005)總結(jié)的A型花崗巖典型的微量元素特征相同(如富集Ga、除Eu外的稀土元素和高場強元素,虧損Ba、Sr及具明顯的Eu負異常)。(4)從REE配分模式(圖2)來看,國內(nèi)A型花崗巖中REE(Eu除外)元素含量遠高于S及I型,REE總量(219.03×10-6)幾乎是I型(114.71×10-6)的2倍,也遠高于S型(173.14×10-6),而Eu則形成低谷,呈所謂右傾海鷗型,這一點與S型比較接近,但又有所不同:S型REE配分曲線的左翼比A型的略陡,相應(yīng)的Eu谷也沒有A型的深。Ⅰ型花崗巖則沒有Eu谷。需要指出的是,上述結(jié)論是根據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的平均值,每一項指標(biāo)實際都有或大或小的變化范圍,比如國內(nèi)A型花崗巖的Rb/Sr比值平均為20.85,而變化范圍達0.28～85.12。這是因為A型花崗巖微量元素的含量受制于源區(qū)性質(zhì)、巖漿的物理化學(xué)條件、巖漿作用過程和絡(luò)合作用等因素,應(yīng)用中應(yīng)該結(jié)合研究對象的這些制約因素綜合判斷。3.2.2a型礦產(chǎn)的成因在識別出A型花崗巖之后,通常用Y-Nb-Ce、Y-Nb-Ga×3三角圖解或者Rb/Nb-Y/Nb、R1-Ga/Al圖解來判別A1與A2亞類,A1亞類富Nb而A2亞類富Y。孫德有等(2000)等在研究小興安嶺西北部A型花崗巖成因時用Y-Nb-Ga×3和R1-Ga/Al圖解取得了理想的結(jié)果。此外,稀土元素配分模式呈現(xiàn)典型的海鷗式(Eu強烈虧損),不相容元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上出現(xiàn)Ba、Sr_P和Eu_Ti3個明顯的低谷也是A型花崗巖的判別標(biāo)志。4a型火山巖物源Sr、Nd、O、Pb等同位素是地球物質(zhì)來源的化學(xué)指紋,目前公認大陸溢流玄武巖CFB(代表原始地幔)、洋中脊玄武巖ORB(代表虧損地幔)、平均陸殼的εNd(t)分別為0、+10和-15,洋島和島弧玄武巖的εNd(t)為+6～+8;地幔、全地球、MORB、海水、大氣降水及各種巖石的δ18O數(shù)值也已經(jīng)確定。這些都可以用來分析研究對象的物質(zhì)來源及其演化過程。已有的研究資料(李之彤等,2001)表明,A型花崗巖類的ISr值可以從0.6980(內(nèi)蒙古巴爾哲堿性花崗巖體)到0.7250(秦嶺龍王疃)。A型花崗巖類ISr值范圍如此之大說明其物質(zhì)來源和形成過程確實很復(fù)雜,一般認為與地幔鍶同位素的不均勻性和地殼物質(zhì)的不同程度卷入有關(guān),但Collins等(1982)主張用下地殼源巖成分差異以及源巖形成與A型巖漿產(chǎn)生之間的時間間隔長短來解釋,而魏春生等(1997)認為A型花崗巖ISr值高,表明其直接來源于虧損地幔的可能性不大,并主張將ISr值與Nd同位素和鋯石δ18O值結(jié)合起來研究其物質(zhì)來源。用已有Sr、Nd同位素資料在εNd(t)-εSr(t)圖解上可以勾畫出不同物源區(qū)的演化趨勢,并用來識別巖石的物質(zhì)來源。許保良等(1998)搜集整理前人的資料,在該圖解上識別出了虧損、原始、富集地幔及殼-幔、殼源等多種物源類型(圖3)。全巖δ18O也能作為物質(zhì)來源的示蹤劑。正常δ18O(<10‰)花崗巖多屬Ⅰ型,高δ18O(>10‰)花崗巖多屬S型。Taylor(1988)認為,一般花崗巖δ18O只要>8‰,其來源中都有沉積巖或風(fēng)化、熱液蝕變巖石的加入。鋯石是各種巖漿巖中最常見的副礦物,除用于巖體年代測定外,對其礦物學(xué)及氧同位素研究無疑有助于了解巖漿的來源和演化歷史。在δ18O抗蝕變干擾方面鋯石比石英要好的多,但是真正的研究工作是借助于成熟的激光探針技術(shù),正常地幔鋯石δ18O值為5.3‰±0.3‰。魏春生等(1997,1999,2000,2001a,2001b)等在國內(nèi)巖漿巖鋯石δ18O研究方面做出了很大的貢獻,他們利用激光氟化技術(shù)獲得了109個高質(zhì)量鋯石δ18O實驗數(shù)據(jù),表明中國東部A型花崗巖鋯石δ18O值普遍偏低(3.79‰±0.40‰～5.05‰±0.14‰),可貴的是他們用Nd_Sr_O同位素體系結(jié)合同位素年代學(xué)資料對研究對象的物質(zhì)來源進行聯(lián)合制約,去除了不合理的數(shù)據(jù)點,不僅判別其物質(zhì)來源,而且用定量模擬法探究源區(qū)物質(zhì)可能的水巖交換作用,最終提出了再循環(huán)俯沖洋殼部分熔融的新見解。Pb同位素雖然也用來判別物質(zhì)來源,但有時得出的結(jié)果與巖石化學(xué)標(biāo)志及Sr、O同位素得出的結(jié)果矛盾,因為HIMU的成因既可以是地幔柱也可以是俯沖洋殼的再循環(huán),所以解釋時需要考慮其他地質(zhì)條件的制約。筆者對國內(nèi)1995年至今發(fā)表的關(guān)于A型花崗巖物源論文做了不完全統(tǒng)計,有13篇論及物源,其中陸殼、洋殼、地幔(可有少量混染)和殼?；旌险叻謩e為6、1、5和1篇。由此可見A型花崗巖的物源的確具有多樣性,但又以陸殼重熔和幔源為主。5裂谷、大滑和碰撞A型花崗巖類與熱點、大陸裂谷或造山后的地殼伸展有關(guān),這一點已經(jīng)在世界各地得到驗證。目前對A型花崗巖形成的構(gòu)造環(huán)境在認識上沒有大的分歧,筆者統(tǒng)計了國內(nèi)30篇關(guān)于A型花崗巖的論文,其中26篇提到構(gòu)造環(huán)境,拉張(包括拉張、裂谷、伸展等)說占絕對上風(fēng)(24篇),走滑和碰撞各占1篇,巖體定位的具體環(huán)境雖然都是拉張,但其大的構(gòu)造背景可以是伸展、擠壓或剪切走滑。Eby(1992)也認為A1亞類似乎最有可能代表熱點、地幔柱或非造山環(huán)境中的裂谷環(huán)境,而A2亞類可侵入于各種構(gòu)造環(huán)境。隨著新的準(zhǔn)確的同位素數(shù)據(jù)的出現(xiàn),某些花崗巖構(gòu)造環(huán)境的已有定論可能要受到挑戰(zhàn)。例如最近Cocherie等(2005)等對科西嘉-撒丁島巖基中的鋯石用3種方法做了年代學(xué)測定,結(jié)果是那里的A型花崗巖(286Ma之前)不能作為特提斯裂谷開始(170Ma)的前奏;另外,據(jù)Skridlaite等(2003)研究,波蘭東北、立陶宛南部及東歐克拉通西部的Fe_K質(zhì)A型花崗巖及其相關(guān)的斜長巖形成于擠壓為主的構(gòu)造環(huán)境。6a型火山巖elisaciparad對于A型花崗巖的巖石成因,Collins等(1982)提出了殘余源成因假說,即在經(jīng)過第1次熔融(形成I型巖漿)之后,殘余的長英質(zhì)麻粒巖再次發(fā)生熔融而成A型花崗巖。這一成因可以很好的解釋傳統(tǒng)A型花崗巖的高溫、貧水和富氟及富HFSE特征。但這一成因受到Creaser等(1991)的質(zhì)疑,一系列的實驗研究成果(Wolfetal.,1989;Conrad,1988;RutterandWyllie,1988;Clemens,1987)也不支持(轉(zhuǎn)引自陳培榮等,1994)。于是Creaser等(1991)提出英云閃長質(zhì)巖石在水不飽和條件下的部分熔融可直接產(chǎn)生A型花崗巖巖漿。然而Eby劃分的A1亞類具有與ORB相似的不相容元素地球化學(xué)特點,這要求另外的成因來解釋。吳才來等(1998)認為安徽茅坦的A型花崗巖是幔源巖漿經(jīng)過高度分異演化的殘余巖漿形成的,姜耀輝等(2000)等指出西昆侖的A2型花崗巖形成于古陸部分熔融后較強烈的分離結(jié)晶作用,魏春生等(1997,2001b)用再循環(huán)俯沖洋殼部分熔融來解釋中國東部碾子山等A型花崗巖的形成,玄武質(zhì)巖漿分異(可同化部分沉積巖)成因也有報道(王大英等,1999;孫德有等,2005)。最近研究表明(肖慶輝等,2002),長英質(zhì)火成巖和變沉積巖在高壓(>2GPa)下熔融也能衍生出過鋁質(zhì)A型花崗巖。綜上所述,A型花崗巖的成因因時因地而異。構(gòu)造背景不同、物質(zhì)來源不同、巖漿演化過程的分異程度不同,凡此種種決定了不可能用統(tǒng)一的成因模式來簡單解釋。7a型火山巖地球化學(xué)特