近日,中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心、海底科学与探测技术教育部重点实验室、海洋地球科学学院陈龙副教授与国内国际合作者在国际地学顶尖刊物Geology(地质学)上发表了题为“The garnet effect on hafnium isotope compositions of granitoids during crustal anatexis”(地壳深熔过程中石榴石的Hf同位素效应)的成果。陈龙副教授为论文的第一作者和共同通讯作者。
花岗岩放射成因同位素组成是示踪其源区(母岩浆)成分的重要工具,而熔体和残留体(分离结晶相)间的同位素平衡是开展这一示踪的前提。虽然分离结晶时熔体和矿物之间基本上都能达到Hf同位素的平衡,但在地壳深熔时,熔体和残留体之间经常存在Hf同位素的不平衡。在大多数地壳岩石中,锆石是Hf的主要赋存矿物。相对锆石,石榴石具有高得多的Lu/Hf比值和模态丰度,但石榴石Hf对体系Hf的贡献仍远小于锆石Hf。近期的研究工作对锆石在地壳深熔时的行为及其Hf同位素效应有了较为系统的认识,但对石榴石的Hf同位素效应却鲜有研究。很多学者推测石榴石中放射成因Hf的衰变积累及其在部分熔融过程中的行为将影响熔体的Hf同位素组成,从而影响源区和熔体之间Hf同位素的平衡,但其相对低的Hf含量可能会使得其效应难以识别。然而,考虑到石榴石异常高的Lu/Hf比值以及锆石在地壳深熔过程中经常不参与反应的基本观察,石榴石Hf对深熔熔体Hf的潜在贡献可能比人们推测的要大。
基于以上科学问题,本研究团队对大别造山带两期碰撞后花岗岩开展了全岩Hf同位素及相关元素同位素地球化学研究。这些花岗岩是探索地壳深熔过程中潜在的石榴石效应的理想对象,原因有二:(1)早期埃达克质和晚期普通花岗岩类的地球化学特征指示它们来自同一原岩在有石榴石和无石榴石条件下的部分熔融;(2)在深熔之前,这些花岗岩源区中的石榴石可能经历了长达~100Ma(230-130Ma)的放射性成因176Hf的衰变积累(图1C)。
研究发现,早期埃达克质花岗岩的(Gd/Lu)N比值与εHf(t)呈现非常好的负相关关系,而晚期普通花岗岩缺乏这一相关关系(图1A&B)。同时,两期花岗岩的(Gd/Lu)N比值与εNd(t)及(87Sr/86Sr)i比值均无相关性。两组花岗岩的系统成分差异,结合区域榴辉岩成分特征及石榴石在榴辉岩熔融时常作为残留相(转熔反应也可能形成转熔石榴石)的矿物学行为,研究人员认为,埃达克质花岗岩的(Gd/Lu)N比值与εHf(t)的负相关关系最可能反映了形成埃达埃达克质花岗岩时,熔融残留体中石榴石含量的不同;而普通花岗岩缺乏这一相关性表明其形成时,熔融残留相不含石榴石(图2)。基于(Gd/Lu)N比值和εHf(t)值的定量地球化学模拟进一步证实,来自富石榴石和贫石榴石残留体的熔体混合能够很好地重现这一相关关系,但残留±转熔石榴石的夹带不行(图1D)。
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