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“Thegarneteffectonhafniumisotopecompositionsofgranitoidsduringcrustalanatexis”（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。
(资料图)
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）。
图1大别造山带碰撞后花岗岩的εHf(t)对(Gd/Lu)N(A)和ΔεHf(t)对(Gd/Lu)N(B)图解,及大别榴辉岩及其中石榴石的Hf同位素衰变积累模拟结果(C)和石榴石残留和转熔夹带的模拟结果(D)图解。
石榴石对花岗岩类Hf同位素比值的影响与石榴石Hf在源岩Hf中的占比成正比。前人研究发现，采用Savillex溶解法(锆石很少被溶解)和bomb溶解法(锆石全部被溶解)得到的全岩Hf浓度差异显著。根据这一差异可以推算，大别榴辉岩中,锆石Hf占据了全部Hf的约81%，而质量平衡计算表明，石榴石在大别榴辉岩中占据了约3%的Hf。然而，如果地壳深熔时锆石Hf不参与反应，那么石榴石Hf在体系Hf中的占比可以高达23%。因此，石榴石Hf的有效比例可能足够高，即使是富含锆石的源区，其深熔效应可以引起熔融产物（深熔熔体/花岗岩类）和残留体及源区之间的Hf同位素分馏。
图2.大别造山带碰撞后花岗岩成因机制即石榴石效应示意图。
该成果增强了人们对花岗岩Hf同位素组成变化原因的认识。石榴石残留导致的花岗岩和原岩之间的Hf同位素分馏，将使得基于Hf同位素大数据分析得到的地壳生长和演化模型产生偏差，即对地壳生长速率的低估和对地壳再造速率的高估。
同时，花岗岩Hf同位素与重稀土分馏之间的协变关系的发现对探讨TTG及埃达克质岩石的形成机制具有重要意义。石榴石在TTG岩石及产出在具有厚的地壳的大陆弧地区的埃达克质岩石的形成过程中所扮演的具体角色一直存在争议，该研究为区分石榴石作为熔融残留相还是分离结晶相提供了潜在的有效途径，因为石榴石分离结晶不会导致Hf同位素的变化及重稀土分异和Hf同位素的协变，但石榴石熔融残留有可能。
其次，从区域构造演化的角度来看，该成果提供了碰撞造山带碰撞后埃达克质花岗岩来自加厚地壳熔融的可靠证据。
陈龙副教授长期从事汇聚板块边缘岩浆作用方面的研究，在汇聚板块边缘地壳物质再循环、壳慢相互作用和地壳深熔等方向上取得了系列研究成果。本次发表的研究成果是该团队在对地壳深熔研究方面取得的重要阶段性进展。该工作由中国海洋大学、中国科学技术大学、加拿大滑铁卢大学、中山大学等单位学者合作完成。研究工作得到了中科院先导科技专项项目和国家自然科学基金重大研究计划项目等的资助。
通讯员：陈龙
文章链接：https://doi.org/10.1130/G50914.1
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