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将花岗岩物理性质研究与地球化学究结合起来

发布网友 发布时间:2022-12-23 02:43

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热心网友 时间:2024-11-25 01:00

最近,我们已经在花岗岩地球化学研究上取得了突出的成绩,这是一件好事,无疑应当继续予以深化和加强。但是,勿庸置疑的是,近半个世纪以来,尤其板块构造理论创建以来,花岗岩物理性质的研究被明显地忽略了。因此,当务之急是要加强花岗岩物理性质的研究,地球化学研究也要以物理研究为基础。花岗岩不同于玄武岩的特征表明,只有将花岗岩的化学和物理研究结合起来,才能开创花岗岩研究的新局面。

17.2.3.1 花岗岩物理性质研究

(1)花岗岩混合作用。岩浆是炽热的熔体,能够发生混合作用,玄武岩和花岗岩都是岩浆,因此,玄武岩和花岗岩都能够发生混合作用。但是,由于玄武岩和花岗岩物理性质的不同(如黏性、密度以及晶粥与熔浆的比例等),它们混合的机制、特征、成因并不相同。玄武质岩浆主要是化学混合,花岗质岩浆主要是物理混合。

花岗岩多多少少都经历了混合作用,根据混合的程度大致可以分为三种情况:(A)几乎很少混合的花岗岩,这是少数;(B)多多少少受到混合的花岗岩,这是绝大多数;(C)混合现象非常发育的花岗岩,这也是少数。对于前两类,我们仍然可以把花岗岩当成岩浆来对待。第三类花岗岩可以称为混合花岗岩(hybrid granite),已经不是通常意义上的花岗岩了。例如,花岗质岩浆A与花岗质岩浆B混合,产生的混合花岗岩(hybrid granite)既非A也非B,但也不是A+B=C(一种新的具有A和B之间过渡特征的岩浆)。如果是玄武岩,可能岩浆A(如N-MORB)与岩浆B(如OIB)混合可以得出岩浆C(E-MORB)。但是花岗岩不行,原因就在于花岗岩主要表现为物理混合而非化学混合。物理混合*了化学元素在花岗岩中的扩散。例如,I型花岗岩A与I型花岗岩B混合,得出的花岗岩非A非B,但是,混合后的花岗岩仍然可以具有I型花岗岩的特征,虽然其意义既不同于花岗岩A也不同于花岗岩B。又如I型花岗岩A与S型花岗岩B混合,得出的混合花岗岩(hybrid granite)可能既非I型也非S型的,其意义就不清楚了。再如花岗质岩浆A与玄武质岩浆B混合,形成的混合产物在玄武质岩浆部分表现为暗色微粒包体C。在化学成分上,暗色微粒包体可能具有A+B=C的特征,可能相当于安山岩或闪长岩;但是,包体C的结构构造既不具有闪长岩的结构构造特征,也不同于玄武岩的结构构造特征。表明包体是两种岩浆混合的快速冷却的产物,而不是通常意义上的岩浆。看来,花岗岩物理性质对花岗岩混合作用的制约是非常关键的,但多年来很少有人问津。这可能是花岗岩混合之所以争论不休的最大难点,也是今后应当着重研究和探讨的。鉴于玄武岩混合是以mixing为主,花岗岩混合是以mingling为主(王涛,2000),而中文皆称“混合”,是否应当在术语上有所区别,也需认真考虑。

(2)花岗岩结晶分离问题。结晶分离本身就是一个物理问题。晶体能否发生重力分离,不仅与晶体和流体相间的密度差及晶体大小有关,还与岩浆黏度和屈服强度有关(马昌前,1989)。火成岩及其熔体的密度主要取决于矿物组成,在一定程度上也与结晶程度、温度、压力等因素有关(卡迈克尔等,1982)。重力场中的密度差(△p)将产生重力分异作用,直接影响到熔体在围岩介质中的运移上升和矿物晶体在岩浆房中的移动,而岩浆的流变学性质又受岩浆成分、晶体含量和物化条件等的控制。因而,深度、地温和岩浆上升速度等对结晶分异作用都有影响(马昌前,1989)。随着温度的降低,晶体从岩浆中晶出,由于晶体密度大于岩浆而发生下沉,堆积在岩浆房底部,遂形成似层状的由不同矿物和不同矿物组合组成的堆晶岩序列,(残余)岩浆成分也随之发生了变化。岩浆结晶分离作用的研究表明,重力分离作用不仅与晶体的密度、岩浆的黏性有关,还与晶体的大小有关。因为,只有当晶体生长到足够大时,才能克服岩浆的屈服强度而下沉。计算表明,夏威夷玄武岩的斑晶大小在2 ~3 mm之间,仍然不足以发生重力下沉。而且,岩浆成分愈酸性,屈服强度越大。因此,花岗岩中副矿物(如锆石、磷灰石等)由于晶体太小通常只能呈“浮尘状”飘浮在黏稠的岩浆中,虽然其密度很大,也很难结晶分离出来(张旗等,2007c)。因此,我们应当好好研究花岗岩的物理性质及其对花岗岩物质交换、岩浆演化和地球化学的*和意义,然后再来考虑如何估量分离结晶作用对于花岗岩的意义。

此外,巨大花岗岩基的占位问题是很早就提出来但至今没有解决的一个重要的物理问题,相关的问题还有,花岗质岩浆的流动问题、环状侵入体的形成机制、塑性和脆性变形问题、制约岩浆黏性的因素(成分、温度、结构、密度、挥发分各起什么作用)、岩浆黏性、温度、压力和挥发分对晶体生长和晶粥形成的影响、不同花岗岩结构形成的条件、岩浆和岩石的关系、岩浆中主元素、微量元素和同位素扩散、交换的机制、岩浆黏性对热传导的影响、物理性质与化学性质的关系问题等等。上述问题国内已经鲜有人问津了,但都需要认真研究,有些还是很难回避的。忽视了对花岗岩物理性质的研究,花岗岩就缺了一条腿,也*了人们对花岗岩化学性质的深入认识。

17.2.3.2 花岗岩地球化学问题

中酸性岩浆岩或花岗岩类的成分范围变化很大,例如,SiO2含量可从<60%变化到>70%。许多人把花岗岩成分的变化归结为岩浆分离结晶的结果,认为岩浆的演化可以从辉长岩经闪长岩演化到花岗闪长岩和花岗岩。实际上花岗岩能否演化,演化可以达到多大的范围,仍然是一个没有解决的问题。花岗岩极其复杂,花岗岩成分、结构的变化主要可能与源区组成、温度、压力、挥发分、部分熔融程度和过程、混合作用以及岩浆分异作用有关。其中,源区组成可能是最重要的因素,而结晶分离可能是最不重要的因素。物理学家对雪花的研究得出的结论是,雪花比人们想象的要复杂得多,天下没有两片同样的雪花。雪花的形成条件应当简单得多,无非受温度、冷凝速度、湿度以及杂质的影响,竟然也能得出这样的结论。相比雪花,花岗岩不知要复杂多少倍。因此,我们同样可以说,天下没有两片同样的雪花,天下也没有两块同样的花岗岩。

花岗岩是晶粥,本身就是不均匀的混合体,就像一盘木须肉一样,由鸡蛋、肉丝、木耳、黄花、菠菜等配成,你不可能每一筷子夹上来的菜中上述组成都是同样比例的。又如包饺子,如果肉馅用了500克猪肉、500克白菜、200克韭菜、50克葱、5克姜,将它们切碎,在搅拌机中搅拌拌匀,再加上10克盐、10克酱油、5克香油,包成100个饺子。同样你不可能指望每个饺子中都是成分均匀的,即有5克猪肉、5克白菜、2克韭菜、0.5克葱,0.1克盐和酱油以及0.05克姜和香油吧。一个花岗岩体如果由石英(20%~25%)、斜长石(40%~50%)、钾长石(20%~30%)、角闪石(5%~10%)、黑云母(5%~10%)以及少量锆石、磷灰石、榍石组成,你采集的每一个样品的成分都不可能是一样的。倘若有一个出露很好的、野外观察成分均匀的花岗岩,你在10×10 m2的范围内每隔1 m采一个样品,共采集100个,也没有2个样品的数据会完全一样。因为,花岗岩在熔融的源区时的源区组成可能就有差别,熔融的温度不可能在一个大的范围内统统一样,水和挥发分的加入比例不一样,花岗岩如果没有经过很长时间的充分对流(由于花岗岩的黏性也大大*了物质均一化的程度)、花岗岩原始组成的不均一将被保存下来,再加上花岗岩向上迁移期间的流动分异作用、温度不均造成的先后结晶作用、与围岩的混染作用、基性岩浆的侵入作用以及与花岗岩的局部混合作用(造成暗色微粒包体)。因此,一个花岗岩体无论大小,都不可能是均匀的。正所谓均匀是相对的,不均匀是绝对的。石英富Si,斜长石富Al、Ca和Sr,钾长石富Al和K,角闪石富Mg和Fe,黑云母富K和Fe,锆石富Zr,磷灰石富P,榍石富Ti和Ta等等,它们含量上的变化必然反映在某些元素或元素比值的此消彼长上,于是在哈克图解中就存在某种关系,有的有相关性,有的无相关性,有的正相关,有的负相关,这又有多大意义呢?许多人忙不迭地用结晶分离或混合或AFC过程来解释,其实完全没有必要。因为,这是自然界再自然不过的现象了,是不需要解释的。一定要去解释,无异于画蛇添足。就说MORB吧,道理是一样的,从某个洋脊打捞或钻孔取出来的100个这样的MORB样品中也不可能有完全一样的2个样品。何况玄武岩比花岗岩矿物颗粒细得多,成分均匀得多。

如果一个花岗岩体由钾长花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长岩组成,成分变化略微大一些,我们必须了解它们是否同一个侵入体,是否同时代的,它们之间的接触关系是怎样的,然后才能对其变化作出恰当的合情合理的解释。不能不问青红皂白,统统放到哈克图解中去一厢情愿地解释一通,这种简单、粗糙的研究方法无任何可取之处。如果我们发现其中的花岗岩和二长花岗岩之间不存在侵入接触关系,而花岗闪长岩与花岗岩之间有明显的侵入接触关系,那么我们解释花岗岩和二长花岗岩的关系和解释花岗岩与花岗闪长岩的关系就应当不一样。例如上述花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长岩,我们首先要了解不同岩体各自的地球化学特征,为此我们可以按照上面提到的方法,运用统计学规律,考虑不同岩体的规模,采集必要数量的样品。分析的结果必然是每个岩体的数据有一个变化的范围,这是花岗岩自身不均匀性的反映。为了研究上述3个岩体之间的关系,我们暂时搁置各个岩体自身变化的原因,对各个岩体取平均值和变化范围作为对比的基础,而不以全部数据投点来看变化的规律。下一步,我们将3个岩体的平均值及其变化范围分别展示在不同的哈克图解中,以观察它们变化的情况和相互之间的关系。可能有一种情况,3个侵入体分别代表3个不同的源岩,则从哈克图解中我们可以了解到不同源岩差异的情况,推断源岩的特征。还可能出现另外一种情况,3个侵入体中有两个关系更加密切,我们就应当结合野外情况考虑这两个关系密切的侵入体是否存在物质交换作用的可能性?例如发生了一定程度的混合作用(如果有混合的现象,尤其在侵入体接触部位)?例如两个侵入体侵位共用了一个通道(存在过渡的接触关系或有流动构造的佐证)?及其他的可能性。

这里我们特别强调一下时代问题,过去由于条件的*,我们很难对不同的花岗质侵入体进行精确的定年,现在应当是有条件了,但是,根据目前所发表的资料,我们对岩体侵位时代的研究仍然远远落后于实际的需要。仍然以上述3个侵入体为例,如果它们的同位素年龄在误差范围内<1~3 Ma,则我们的上述讨论可能是有效的;如果它们的时代差别较大,则上述讨论很可能就是无效的。因为,花岗质岩浆只可能在一段较短的时间内保持熔融状态,超过了一定的时间,花岗质岩浆就固结了,就谈不上相互之间的物质交换了。至于多少时间花岗岩就固结了应视花岗岩就位的具体情况而定。在这方面,美国对加利福尼亚Tuolumne岩体的研究和杨富全等(2007)和马寅生等(2007)最近报道的天津蓟县盘山岩体是两个很好的实例(见本书第13章第13.4节及图13.3、图13.4和图13.5)。上述两个岩体都属于环状侵入体,都是由不同成分花岗岩相继侵入形成的,或外部早内部晚(如Tuolumne侵入体),或内部早外部晚(如盘山岩体),都不是一次侵位分异形成的。

当然,情况是极其复杂的,在一个地区得出的结论不大可能一成不变地应用到另一个地区,上述实例并非到处可用。但是,不论怎样,我们的研究应当更加深入和细致,我们的结论应当既符合地球化学规律,也有野外观察或薄片现象的支持。新一轮的研究要将花岗岩性质与时代的研究密切结合起来,不能只顾一头而忽视另一头。那种只重视花岗岩地球化学而不重视花岗岩时代的研究方法或相反只重视花岗岩时代而不重视花岗岩地球化学的研究方法,已经很难适应目前研究的趋势了。

浙闽中生代岩浆岩究竟是岛弧的还是板内的争论了多少年了。我们如何看待我们的数据?许多人包括外国人非常注重元素的比值,而本书作者特别关注元素的含量。我们认为,元素含量是岩石最具本质的特征,比值是元素含量的延伸,是派生的。例如,大家都知道T/Ta比值对于判断玄武岩构造环境提供了重要的信息,MORB的Ta的平均值为0.18×10-6,Th为0.20×10-6,因此MORB的Th/Ta比值近似等于1,代表板内或洋脊环境;而岛弧玄武岩平均的Ta=0.1×10-6,Th=0.37×10-6,其Th/Ta比值接近4(以上引自Pearce et al.,1984b)。但是,例如,我们在浙闽地区有Th/Ta比值高达4或更高的玄武岩和辉长岩,我们能够判断它是岛弧的吗?在判断之前,我们是否还应当看看它们的Ta含量是多少,Th含量是多少。如果其Ta含量超过0.2×10-6,岛弧的可能性还有多大?这时的高的Th/Ta比值是否应当另外去解释呢?又如REE数据,我们的个别文章喜欢计算总REE含量,或总LREE和总HREE含量,而不发表具体的REE数据,其实对于不同类型的花岗岩来说,总REE含量是没有多少意义的,倒不如公布La和Yb的含量以及负铕异常的比值更有价值。

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