堿性巖通常分布在造山帶和板內(nèi)裂谷背景下，雖然占比很少，但是蘊含著豐富的巖漿起源和構(gòu)造演化等關(guān)鍵信息。正長巖是堿性巖中最典型的代表之一，其成因是有高度爭議的，主要觀點有地幔低程度部分熔融、幔源巖漿結(jié)晶分異、巖漿混合和晶體堆積等機制。然而，由于地殼混染和巖漿混合的潛在影響，很難從全巖成分判斷地幔源區(qū)熔融還是殼內(nèi)分異控制著堿性元素（K2O和Na2O）含量。正長巖中的礦物記錄了堿性巖漿從起源到侵位的全過程，因此，通過對各巖漿演化階段的礦物分析，可以評估不同機制的影響程度，從而確定正長巖的主要成因方式。
針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士生馬建鋒在趙太平研究員指導(dǎo)下，選取華北克拉通南緣1772 Ma三元溝正長巖開展了詳細的礦物結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分與熱力學(xué)模擬研究。該正長巖主要礦物組成是單斜輝石、鉀長石、石榴石和榍石，單斜輝石和石榴石具有豐富的礦物環(huán)帶，表明巖漿混合發(fā)揮了重要作用（圖1）。通過計算不同階段的單斜輝石平衡熔體的主微量元素含量，獲取了堿性巖漿從起源到侵位的地球化學(xué)信息。高Mg#(>85)單斜輝石的平衡熔體具有高Mg#、CaO/Al2O3和低Hf/Sm的特征，展現(xiàn)出碳酸鹽交代地幔的親和性，微量元素質(zhì)量平衡模型表明，石榴石-尖晶石過渡地幔低程度(1%~2%)部分熔融可以產(chǎn)生這些高Mg#熔體（圖2）；通過alphaMELTs模擬高Mg#平衡熔體的結(jié)晶分異過程，發(fā)現(xiàn)無論在何種壓力和水含量下都無法匹配其余平衡熔體的化學(xué)成分，說明單一的結(jié)晶分異過程不能解釋正長巖的成因（圖3）。低Mg#單斜輝石平衡熔體具有低Mg#值，是地殼物質(zhì)重熔的產(chǎn)物，質(zhì)量平衡計算結(jié)果表明10%~30%的長英質(zhì)熔體參與混合可以形成正長巖（圖4）。然而，巖漿混合與結(jié)晶分異過程無法解釋全巖的K2O、CaO等變化，暗示仍有其它機制參與控制。正長巖中鉀長石相互連接形成晶體框架，具有堆晶結(jié)構(gòu)，且全巖Eu#高于1，表明鉀長石堆晶也是控制K2O含量的機制之一。單斜輝石濕度計顯示高Mg#平衡熔體具有高水含量(>4 wt%，圖5)，在模擬過程中發(fā)現(xiàn)高水含量可以抑制長石的結(jié)晶，從而導(dǎo)致熔體中K2O、Na2O含量的再次升高（圖6），最終在淺部地殼發(fā)生長石堆晶，這也解釋了為什么堿性熔體無法突破演化的“熱障”。上述工作表明，地幔源區(qū)的部分熔融、殼內(nèi)巖漿演化、巖漿混合、晶體堆晶過程都會控制堿性熔體的成分變化以及正長巖的形成。
以上研究成果發(fā)表在巖石學(xué)國際權(quán)威期刊Journal of Petrology上。相關(guān)的論文信息：
Jian-Feng Ma (馬建鋒),Tai-Ping Zhao* (趙太平*),Tong Hou (侯通),Chuan-Hao Qu (瞿川豪). Mineral Textures and Chemistry Trace the Origin and Transcrustal Evolution of the Sanyuangou Syenite in Southern North China Craton. 2024,65,egae056. https://doi.org/10.1093/petrology/egae056.
圖1 三元溝正長巖礦物結(jié)構(gòu)特征
圖2 高Mg#單斜輝石平衡熔體主微量元素揭示地幔源區(qū)特征
圖3 三元溝正長巖全巖、單斜輝石平衡熔體主量元素特征以及alphaMELTs模擬主量元素變化
圖4 三元溝正長巖全巖微量元素特征與混合模型
圖5 單斜輝石溫度、壓力及平衡熔體水含量
圖6 熔體水含量與巖漿混合控制熔體中K2O+Na2O含量變化
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