詹琼窑&朱弟成：MgO在磷灰石与熔体间的分配及其对堆晶花岗岩的指示意义【Geology, 2022】

发布时间：2022-04-16     作者：    阅读：110次

 磷灰石是岩浆岩、变质岩、沉积岩乃至陨石中一种常见的副矿物，并且通常含有多种对物理化学条件极为敏感的元素，因而被广泛应用于地质研究中。厘定各种元素在磷灰石与熔体间的分配系数以及控制分配系数的因素，有利于进一步扩展磷灰石的地质应用研究。最近有学者提出磷灰石的MgO含量可能是一个潜在的关键成分（Nathwani et al., 2020, Geology, v. 48, p. 323-327）。这一认识是基于一项相平衡实验研究中观察到的磷灰石MgO含量与平衡熔体MgO含量之间的正相关关系（Prowatke and Klemme, 2006, GCA, v. 70, p. 4513-4527），表明MgO在磷灰石与熔体间的分配系数（D_MgO）可能变化很小。然而，这种相关关系是否具有普遍性或者D_MgO是否变化很小尚不明确。这一问题本质上是关于MgO在磷灰石与熔体间是怎样分配的，以及控制分配系数的因素是什么。

 针对上述问题，我校“岩浆作用与青藏高原形成”研究团队求真博士后詹琼窑，在合作导师朱弟成教授与澳大利亚莫纳什大学Roberto F. Weinberg教授的共同指导下，系统地收集了相平衡实验中磷灰石与平衡熔体的成分数据以及自然体系火山岩和侵入岩中磷灰石和寄主岩全岩成分数据，取得以下新认识：

 （1）相平衡实验中磷灰石MgO含量与平衡熔体MgO含量之间并不是单一的线性正相关关系，而是呈现出两个平衡趋势（图1A）或三个平衡趋势（见论文附件）。每个趋势中，磷灰石MgO含量与平衡熔体MgO含量均为正相关关系。

 （2）上述现象反映的是熔体成分/结构对MgO在磷灰石与熔体间的分配具有重要的控制作用（图1B）。D_MgO与熔体的非桥氧与四配位阳离子的比值（NBO/T，表征熔体结构）之间呈现出指数相关关系。当熔体NBO/T > ~0.3时，即在聚合程度较低或偏镁铁质的熔体中，D_MgO变化很小，集中在0.07左右。而当熔体NBO/T < ~0.3时，即在聚合程度较高或偏长英质的熔体中，D_MgO快速增大，MgO在磷灰石中从不相容逐渐变为相容。

 （3）自然体系火山岩玻璃MgO含量和共存且可能达到平衡的磷灰石MgO含量组成的数据对落在相平衡实验确定的平衡趋势内（图1A），同时MgO分配行为与实验数据一致（图1B）。

 （4）自然体系火山岩中磷灰石MgO含量与寄主岩全岩MgO含量组成的数据对多数落在相平衡实验确定的平衡趋势内（图2A）。然而，大多数侵入岩中磷灰石MgO含量与寄主岩全岩MgO含量组成的数据对落在相平衡实验确定的平衡趋势下方（图3B），表明大多数侵入岩中磷灰石与全岩成分是不平衡的。

 （5）侵入岩中磷灰石与全岩成分不平衡的可能原因包括：①岩浆结晶后磷灰石经历了成分的改造（热液交代或扩散再平衡），导致MgO含量降低，②磷灰石属于晚结晶的矿物，与演化的熔体平衡，③侵入岩为堆晶岩，比母岩浆更加富MgO，从而导致结晶自母岩浆的磷灰石与具有堆晶属性的寄主岩不平衡（图3）。通过合理排除上述可能的原因①和②，一些花岗岩类中磷灰石与寄主岩不平衡的现象表明这些花岗岩类具有堆晶岩的属性。

 本研究阐明了MgO在磷灰石与熔体间的分配行为以及控制分配系数的因素，拓展了磷灰石在地质研究中的应用潜力。同时揭示出磷灰石可以为岩浆岩岩石学中一个争论的热点 —— 即火山岩与侵入岩的联系或表述为侵入岩（特别是花岗岩类）是代表固结的熔体还是经历了演化熔体抽取后残留的堆晶岩（晶体加残余熔体）—— 提供新的视角。

 上述成果发表于国际著名地质学期刊《Geology》：Zhan, Q.Y., Zhu, D.C.*, Weinberg, R.F., Wang, Q., Xie, J.C., Zhang, L.L., Zhao, Z.D., 2022. Cumulate granites: A perspective from new apatite MgO partition coefficients. Geology, https://doi.org/10.1130/G49781.1

 全文链接：https://doi.org/10.1130/G49781.1

 图1 相平衡实验中磷灰石MgO含量和平衡熔体MgO含量之间的关系（A）以及D_MgO与熔体聚合度（NBO/T）之间的关系（B）

 图2 自然体系火山岩（A）和侵入岩（B）中磷灰石MgO含量与寄主岩全岩MgO含量之间的关系

 图3 火山岩（A）和侵入岩（B）中磷灰石MgO含量与寄主岩MgO含量关系形成示意图