科研进展

广州地化所:用锆石水含量约束花岗岩成因

  
水是花岗岩形成中不可或缺的组分,可以说没有水就没有花岗岩,也就没有大陆。然而,目前关于花岗岩中水来源于含水矿物脱水还是外部水的加入依然争论很大。锆石作为花岗岩中常见的副矿物,相对于橄榄石、单斜辉石、石榴子石等名义上无水矿物,具有更低的水扩散系数,在锆石从熔体中结晶时所包含的原生水有潜力成为研究花岗岩水含量的窗口。然而,由于锆石中含有大量的U、Th放射性元素,其放射性衰变会损伤锆石晶格,导致锆石的蜕晶化。蜕晶化的锆石晶格膨胀,可吸附大量次生水,干扰锆石原生水含量的准确测定。因此,首先需要排除次生水的影响,才能获取可靠的锆石原生水含量。
中国科学院广州地球化学研究所博士研究生杨传茂在徐义刚研究员和夏小平研究员的指导下,与地质地球所杨进辉研究员、国科大孙金凤副教授、中国计量科学研究院高钰涯博士、山东科技大学王雪博士合作,建立了一套低蜕晶化锆石拉曼光谱筛选方法和对不同蜕晶化程度的锆石进行热退火处理方法,并运用于华北晚中生代花岗岩的研究中。获得以下认识:
(1)锆石拉曼光谱中Si-O四面体的反伸缩振动模对锆石蜕晶化程度很敏感,该谱峰的半高全宽小于8 cm-1或拉曼位移大于1007 cm-1时,锆石蜕晶化程度较低,原生水保存较好(图1);
(2)在热退火两个小时条件下,原生水在700℃以上发生扩散丢失,而次生水在400–500℃左右就开始丢失(图2)。因此,可以利用原生水和次生水脱水温度的不同去除锆石中的次生水;
(3)蜕晶化的古老锆石依然能够稳定地保存其原生水含量(图2),这一结果说明锆石水含量的应用能够拓宽到蜕晶化的古老锆石中。
(4)侏罗纪花岗岩锆石水含量与典型大陆弧岩浆锆石水含量接近,而到早白垩世克拉通破坏峰期时锆石水含量明显升高。锆石水含量的升高还伴随着锆石δ18O的降低以及ε_Hf (t)的升高(图3)。
(5)华北花岗岩高的锆石水含量受控于高的花岗质熔体水含量,而不是温度和压力等因素。花岗岩形成于地壳加水熔融条件下,其规模主要受控于地壳的加水量,在早白垩世下地壳加入了更大量的水产生了更大规模的花岗岩。
(6)锆石水含量与ε_Hf (t)正相关,并且从侏罗纪到早白垩世花岗质熔体水含量的增加与同时期华北克拉通岩石圈地幔含水量的变化一致,因此研究认为加入到下地壳的水很有可能是地幔来源的(图4)。

图1 苏州岩体锆石水含量与拉曼光谱半高全宽和拉曼位移的关系

图2 不同蜕晶化程度的锆石,在从室温到1000℃的不同温度下加热两个小时后水含量的变化
 
图3 (a)华北晚中生代花岗岩分布和(b)锆石年龄谱、Hf-O同位素及水含量组成

图4 华北晚中生代花岗岩的成因模式图
相关研究成果已在国际学术期刊Geophysical Research LettersAmerican Mineralogist在线发表或接收。本研究受到国家自然科学基金、中科院战略先导专项B和南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)项目的联合资助。论文的锆石水含量数据在中国科学院广州地球化学研究所二次离子质谱实验室(SIMS)分析获取,分析方法国际领先。
论文信息:
Yang, C.M., Xu, Y.G., Xia, X.P., Yang, J.H., Sun, J.F., Zhang, W.F., Yang, Q., Yang, Y.N., 2022. High water contents in zircons suggest water-fluxed crustal melting during cratonic destruction. Geophysical Research Letters, 49(7), e2021GL097126. https://doi.org/10.1029/2021gl097126.
Yang, C.M., Xu, Y.G., Xiao, X.P., Gao, Y.Y., Zhang, W.F., Yang, Y.N., Yang, Q., Zhang, L., 2022. Raman spectroscopy-based screening of zircon for reliable water content and oxygen isotope measurements. American Mineralogist, in press. https://doi.org/10.2138/am-2022-8075.
Yang, C.M., Xia, X.P., Gao, Y.Y., Wang, X., Zhang, W.F., Cui, Z.X., Yang, Y.N., Yang, Q., Xu, Y.G., 2022. Effects of thermal annealing on water content and δ18O in zircon. American Mineralogist, in press. https://doi.org/ 10.2138/am-2022-8444.