发布时间：2023-01-28 浏览次数：10
紫苏花岗岩（含斜方辉石的花岗岩）是一类矿物组成特殊的岩石，是常与斜长岩、苏长岩或麻粒岩等构成高级地体（尤其是前寒武纪克拉通地块）的重要岩石，因此，紫苏花岗岩的研究对了解大陆地壳生长、稳定和演化有重要意义。自1908年在印度首次报道以来，紫苏花岗岩的研究已有百余年的历史, 学术界普遍认为其代表一种独特的、“高温贫水”的岩石类型。鉴于紫苏花岗岩的特殊性和重要性，国际地科联还为其单独制定了一套岩性划分方案（Le Maitre, 2002）。然而，关于紫苏花岗岩成因，长期存在若干尚待解决的根本性问题：
（1）紫苏花岗岩存在变质和岩浆成因之争，如何辨别不同成因紫苏花岗岩？其中，斜方辉石的成因是关键，其为岩浆结晶矿物，还是捕获或继承的变质或转熔成因矿物？
（2）“高温贫水”被认为是形成紫苏花岗岩的关键，而许多高温贫水的花岗岩并不含斜方辉石，因此，紫苏花岗岩有别于其他不含斜方辉石花岗岩成因的特殊之处是什么？
图1岩浆结晶相关系显示过铝质（a, b, c）和准铝质（d, e）花岗质岩浆中斜方辉石、黑云母和角闪石稳定场之间的关系。在相对“低温富水”条件下，斜方辉石与熔体反应生成黑云母和/或角闪石，三种矿物稳定场重合的区域用颜色充填。（f）示意图显示CO2注入引起的结晶路径的变化以及晶粥中熔体抽离后残余粒间熔体的结晶路径。
图2紫苏花岗岩（样品来自华南钦州湾地区旧州岩体）显微岩相学照片。（a, b）自形斜方辉石和斜长石发育良好的晶面由平滑过度的曲面连接；颗粒间尖凸状石英保留低的二面角(θ)，指示熔体充填的孔隙。（c）它形斜方辉石被黑云母、石英和钛铁矿组成的交生体所包围。（d）斜方辉石与富水熔体反应而耗尽，遗留黑云母、石英和钛铁矿组成的交生结构。
内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室主任徐夕生教授与其课题组自2017年开始对华南早古生代和早中生代过铝质紫苏花岗岩进行了系统性研究（Zhao et al., 2017, Contrib. Mineral. Petrol.; Zhao et al., 2018, Earth Planet. Sci. Lett.; Zhang et al., 2021,Am. Mineral.; Zhang et al., 2022, Contrib. Mineral. Petrol.），取得了重要的原创性认识。综合野外地质观察、室内岩相分析、显微构造研究、热力学模拟、矿物温压计和流体包裹体研究等，发现华南过铝质紫苏花岗岩成因过程中，“晶体堆积”和“熔体抽提”的地质学、岩石学、矿物学证据，提出花岗岩岩浆演化过程中“熔体抽提”新机理和“低温富水”结晶新模式。
在以往研究的基础上，综合分析了世界范围内报道的紫苏花岗岩全岩和矿物地球化学成分和结晶P-T-H2Omelt数据，进一步揭示出紫苏花岗岩形成的关键因素。研究表明，紫苏花岗岩在全岩化学成分和岩浆结晶条件上，与不含斜方辉石花岗岩无显著差异，可在各种大陆构造背景出现，且花岗岩I-A-S成因划分同样适用于紫苏花岗岩。基于斜方辉石Al含量和结构特征，提出区分斜方辉石岩浆或变质成因的综合判别标准，证明紫苏花岗岩中斜方辉石主要为岩浆成因。实验和热力学模拟的结晶相关系表明，斜方辉石普遍出现于岩浆结晶早期，其在近固相线条件下不稳定而被黑云母和/或角闪石替代（图1）。因此，揭开紫苏花岗岩成因之谜的关键，是理解斜方辉石在岩浆结晶演化过程中如何避免被反应消失从而保存下来。从这一思路出发，斜方辉石的保存有两种可能机制：晶粥储库中CO2注入和熔体抽离过程。
CO2可以降低熔体水活度，提高固相线温度至斜方辉石稳定场，从而使斜方辉石稳定于固相线条件下。流体传输物理过程的约束表明，CO2在晶粥中的有效传输需要克服毛细管力，因此需要大量（>10-20 vol%）富CO2流体注入晶粥储库。然而，目前这一过程的地质记录仅限于几个准铝质紫苏花岗岩流体包裹体研究，而富CO2流体包裹体在捕获过程中可能因非润湿的特性存在偏差，因此仍然需要矿物或者熔体方面的研究来证实。另一种可行的机制是熔体抽离，这一过程使得斜方辉石与“低温富水”熔体物理隔离。显微构造证据和紫苏花岗岩Zr-P2O5极端富集且非同步变化的特征表明，磷灰石和锆石先后饱和的晶粥经历了高程度（>40%）熔体抽离过程，而高的岩浆形成温度则不能解释这种变化。因此，这项研究揭示出紫苏花岗岩成因的特殊性在于极端的岩浆过程，而非温度和水含量条件。未来对紫苏花岗岩的研究将为量化大陆地壳碳通量与分异程度提供新的视角。
上述成果近期以“A review of the genetic mechanisms generating igneous charnockite: CO2 flushing and crystal-melt segregation in mushy reservoirs”为题发表于综述性期刊Earth-Science Reviews，赵凯博士为论文的第一作者，徐夕生教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金（41930214, 41903027）和中央高校基本科研业务费（020614380114, 020614380166）的资助。
相关论文列表：
（1）Kai Zhao, Xi-Sheng Xu*，Reiner Klemd, Zhen-Yu He, Xi-Song Zhang, 2023. A review of the genetic mechanisms generating igneous charnockite: CO2 flushing and crystal-melt segregation in mushy reservoirs. Earth-Science Reviews, 237: 104295.
（2）Xi-Song Zhang, Xi-Sheng Xu*，Kai Zhao, 2022. The strongly peraluminous, garnet bearing norite–quartz jotunite–charnockite suite: products of crystal accumulation in the felsic magma reservoir. Contributions to Mineralogy and Petrology, 177:91, https://doi.org/10.1007/s00410-022-01946-1.
（3）Xi-Song Zhang, Xi-Sheng Xu*, Yan Xia, Kai Zhao, 2021. Crystallization and melt extraction for garnet-bearing charnockite from South China: Constraints from geochemistry, mineral thermometer and rhyolite-MELTS modeling. American Mineralogist, 106(3): 461-480.
（4）Kai Zhao, Xi-Sheng Xu*, Saskia Erdmann, 2018. Thermodynamic modeling for an incrementally fractionated granite magma system: Implications for the origin of igneous charnockite. Earth and Planetary Science Letters, 499: 230-242.
（5）Kai Zhao, Xi-sheng, Xu*, Saskia Erdmann, 2017. Crystallization conditions of peraluminous charnockites: constraints from mineral thermometry and thermodynamic modelling. Contributions to Mineralogy and Petrology, 172: 26.