花岗岩(这里泛指“花岗质岩石”)是陆壳的重要组分,也是地球区别于其他行星的重要标志,在研究大陆的形成和演化过程中至关重要,在金属矿床成因研究和勘查中也具有十分重要的科学意义和战略价值。
对花岗岩的研究已有百余年的历史,历经了早期的“水成论”和“火成论”之争,到后来的熔融模拟实验和花岗岩成因分类研究,以及进入21世纪以来现代分析技术在花岗岩成因研究中的广泛应用,花岗岩岩浆作用的过程得到愈来愈深入的揭示,花岗岩成因理论得到不断完善,花岗岩与造山带演化、地壳增生和大陆动力学的关系得到逐步澄清,花岗岩研究显示出蓬勃发展的趋势。近十年(2011～2020)来,随着分析测试技术的不断进步,花岗岩研究更多地向精细化深度发展,并与数值模拟、大数据、地球物理等研究方法紧密结合,在探索地球科学的前沿重大科学问题上发挥了重要作用。由翟明国院士等召集的主题为“花岗岩:大陆形成与改造的记录”的“香山科学会议”(2015年),旨在把花岗岩和大陆的形成演化密切联系起来,倡导花岗岩研究的革命,进而推动对大陆演化和大陆动力学研究的进程和突破,其中,花岗岩与地壳演化的联系受到重点关注,包括:岩浆形成、上升、侵位与大陆运动学、动力学的关系,大陆花岗岩的地球动力学意义,花岗岩多样性的原因(翟明国,2017)。这些问题也是近十年来国内外学者在花岗岩研究上重点关注的重要科学问题。花岗岩的形成和演化记录了大陆地壳形成、生长和再造的重要信息。众所周知,活动大陆边缘陆壳的形成与演化涉及大陆的侧向增生和垂向增生/分异,其标志是伴随着大量花岗岩的形成,而陆内环境下的大陆再造也可以产生大量的花岗岩(Raimondo et al., 2010)。花岗质岩浆的结晶分异被认为是导致花岗岩体成分变化的重要机制和引起大陆地壳垂向成分变化的重要因素,尤其是高分异花岗岩被认为是大陆地壳高成熟度的重要岩石学标志(吴福元等, 2017)。另外,花岗质岩浆的演化对大陆地壳形成演化过程中成矿元素的聚集研究(Liu et al., 2020; Wu et al., 2020)也有十分重要的意义。本文（徐夕生,王孝磊,赵凯,杜德宏.新时期花岗岩研究的进展和趋势[J].矿物岩石地球化学通报,2020,39(05):899-911+1069）。对近十年来国内外关于花岗岩研究的现状和重要进展进行综述,并着重对中国东南沿海火山-侵入杂岩的研究进行分析,以期对未来我国花岗岩研究提供有益参考。由于篇幅有限，此处摘取第二节“花岗岩研究重要进展列举”和第四节“研究趋势和研究意义”，更多详情和引用，请阅读原文。
2 花岗岩研究重要进展列举
近年来,国内外在花岗质岩浆的形成、运移、储存、分异和侵位等精细过程方面的研究方兴未艾,并逐渐形成了一些重要共识,这些共识在一定程度上打破了花岗岩成因的传统认识,革新了花岗岩研究的思路。本文选择主要几方面的研究进展列举如下:放射性成因同位素体系(如Rb-Sr,Sm-Nd和Lu-Hf)是示踪花岗岩源区性质和岩浆过程(如同化混染和岩浆混合)的重要手段。例如,Gao等(2017)利用华南三叠纪花岗岩Sr-Nd同位素特征,结合系统的全岩地球化学、锆石U-Pb年龄和氧同位素以及新元古代岩石空间分布的研究,指出三叠纪花岗岩主要来自新元古代地壳物质的部分熔融。然而,根据花岗岩同位素组成来准确识别出花岗岩的源区并不容易(Zhao et al., 2011),因为部分熔融产生的熔体同位素组成可能受到源区物质不均一(Wang et al., 2013)和熔融温度(Zhao et al., 2015)等多种因素影响,且花岗岩同位素组成还可能通过基性岩浆混合和/或围岩同化混染等过程而改变。应用同位素手段鉴别源区的一个基本假设是地壳部分熔融产生的熔体具有和源岩一致的同位素组成。近年来,对源区不平衡熔融过程的研究则对这一基本假设提出了挑战。由于地壳的成分极度不均一,各类源岩的元素和同位素组成千差万别,同一源岩中不同矿物的元素和同位素组成也不尽相同(Zeng et al., 2005),因此部分熔融所产生的不同批次的熔体有可能继承不同源区的成分特征,也有可能在同一源区的非实比部分熔融反应中由于参与熔融反应矿物比例的差异而导致同位素组成与源岩的不一致,即同位素不平衡(Tang et al., 2014; 王孝磊,2017;Zhao et al., 2017b)。不平衡熔融导致放射性的同位素差异需要满足以下三个条件(Iles et al., 2018):①原岩的矿物具有不同的母体-子体同位素比值(如斜长石和黑云母的87Rb/87Sr分别为0.06和39);②原岩在地壳中存留足够长的时间,使得各矿物具有不同的同位素组成;③熔体产生后快速抽离源区,避免熔体与残留体达到化学平衡或不同批次熔体的混合均一化。不平衡熔融过程较早是在野外露头尺度研究混合岩淡色体和暗色体同位素组成的差异性时提出(Naslund, 1986; Zeng et al., 2005)。随着分析技术的提高,近年来越来越多的研究报道微观矿物尺度的同位素不平衡现象。例如,在安第斯中部火山岩捕获的地壳深熔捕掳体中的熔体玻璃(McLeod et al., 2012)和意大利Elba岩体中的钾长石巨晶及其包裹的黑云母(Farina et al., 2014)均观测到Sr同位素不平衡现象。这种不平衡现象反映了随着熔融温度的升高,熔融反应由白云母脱水熔融变为黑云母脱水熔融,并进一步向角闪石脱水熔融转变的过程(Farina et al, 2014)。近年来,锆石的Hf同位素已经成为花岗岩研究中的常规手段,但熔融过程中Lu-Hf同位素体系的不平衡直到2014年才被Tang等(2014)所注意到。锆石相对其他矿物(如石榴子石、单斜辉石等)具有极低的Lu/Hf值,因此熔体的Hf同位素组成主要取决于锆石非放射性成因的Hf与其他矿物放射性成因Hf之间的竞争,而锆石中的Hf扩散极慢,所以熔体的Hf同位素实际上受控于锆石的熔融速率。全岩的酸/碱溶解实验进一步的证明了这一点,在较短的时间内全岩样品中只有部分的锆石发生了溶解,导致溶液比全岩具有更放射的Hf同位素组成;随着溶解时间的增加,溶液的Hf同位素值趋近于全岩值(Wang et al., 2018)。基于这样的考虑,Iles等(2020)对澳大利亚拉克兰褶皱带的S和I型花岗岩进行了研究,发现S型花岗岩的Hf同位素和锆石的Hf同位素基本一致,而I型花岗岩相比其锆石具有更放射的Hf同位素组成(ΔεHf全岩-锆石=0.4～2.5)。这一特征可以用变火成岩角闪石脱水引起的不平衡熔融来解释(Iles et al., 2020)。因此,我们在使用锆石或者全岩Hf同位素来判断花岗岩的源区时需要特别小心。
2.2 大型花岗岩岩体的累积生长
关于花岗岩岩体形成的传统认识是,与岩体规模相似的岩浆房在地壳中可以长时间存在,岩浆在其中缓慢冷却、结晶和分异(如Bateman and Chappell, 1979)。本世纪初,这种“大岩浆房”(Big magma tank, Glazner et al., 2004)的模式就已经受到高精度定年结果的挑战,如研究程度较高的美国内华达(Sierra Navada)岩基中的Tuolumne岩基,锆石U-Pb定年结果揭示该岩基是岩浆在大约10百万年的时间范围内汇聚而成(Coleman et al., 2004)。而最近十年,岩体的累积生长模式得到越来越多的野外地质观察、高精度定年研究以及热演化数值模拟的支持,并涌现出一批研究程度高、多学科交叉研究的经典研究案例,如美国的Tuolumne岩基(Paterson et al., 2011)、意大利的Adamello岩体(Schoene et al., 2012)和智利的Torres Del Paine岩体(Leuthold et al., 2012; Annen et al., 2015)等。传统的“大岩浆房”模式难以解释的一些地质观察,在岩体的累积生长模式下,可以得到合理的回答:①岩浆同位素组成在矿物尺度存在不均一性,可能是由于同位素组成不同的、不同批次的岩浆混合引起(Farina et al., 2014; Tang et al., 2014);②对现今活火山区的地球物理研究并未探测到地壳内部高熔体含量(>50%)的岩浆房的存在(Glazner et al., 2004),这可能是因为单一批次岩浆的固结时间较短(一般小于几十至几百千年,Schoene et al., 2012;Barboni and Schoene, 2014),而高熔体分数的岩浆存留时间则更短;③大岩浆房在地壳中侵位所需要的空间问题一直困扰着地质学界(Hutton et al., 1990),而在岩体累积生长模式下,小体量、多批次岩浆的汇聚可伴随微小的构造应变进行,长期的汇聚则形成大型岩体(Karakas et al., 2017)。
2.3 晶体-熔体分离与高硅花岗岩/流纹岩的形成
晶体-熔体分离(即分离结晶)被认为是控制花岗岩成分变化的重要过程(McCarthy and Groves, 1979),但质疑的声音也一直存在(Glazner et al., 2008),主要原因是花岗质岩浆的粘度大,且缺乏确凿的岩石学证据。Bachmann和Bergantz(2004)估算了在合理的岩浆粘度范围内晶体-熔体分离所需要的时间尺度,结果表明通过受阻沉降、微沉降和/或压实等过程,熔体可以有效抽离并聚集于岩体顶部,形成具有可喷发性的高硅熔体囊。这一设想得到火山岩成分变化的支持,即许多火山岩在垂向层序上往往从贫晶火山岩变化为更加富晶体的火山岩,而这种成分梯度指示了深部岩浆房的分带性(Hildreth and Wilson, 2007; Bachmann and Huber, 2016; Buret et al., 2017)。近年来,对火山-侵入杂岩的研究从全岩主、微量元素以及锆石微量元素研究角度揭示了高硅流纹岩和共生的次火山花岗斑岩成分的互补性(Deering et al., 2016, Yan et al., 2018, 2020)。花岗岩记录矿物堆积和熔体抽离的完整过程,应当是研究晶体-熔体分离过程的重要对象。近年来,对花岗岩的显微组构研究表明,矿物晶形或晶格的定向性和韧性变形可能与岩浆在高结晶度条件下受阻沉降和/或压实等作用有关(Beane and Wiebe, 2012; Fiedrich et al., 2017; Zhao et al., 2018)。这些组构的强弱与受阻沉降和/或压实的强弱程度有关,进而导致不同比例的熔体发生抽离,从而引起花岗岩成分的变化(Lee and Morton, 2015; Jackson et al., 2018; Zhao et al., 2018)。结合热力学模拟的数值模拟可估算经过受阻沉降和/或压实作用而抽离的熔体分数(Lee and Morton, 2015; Zhao et al., 2018)。例如,Zhao等(2018)在对华南钦州湾地区早中生代旧州岩体的研究中,揭示出紫苏花岗岩(即含斜方辉石花岗岩)和不含斜方辉石花岗岩在显微组构上的差异(图1a、1b),表明紫苏花岗岩经历较高程度的压实作用,导致～40%的粒间熔体抽离,而不含斜方辉石的花岗岩压实作用较弱,仅抽离约～20%的粒间熔体,并据此提出带状岩浆房形成的模式(图1c)。对于熔体抽离的时间尺度,高精度定年结果显示通过晶体-熔体产生数百立方千米高硅流纹岩所需要的时间可能为上百个千年(Deering et al., 2016),而岩浆中水含量的增加将缩短熔体抽离的时间(Hartung et al., 2019)。
2.4 “晶粥”模型与穿地壳岩浆演化
“晶粥”为晶体与熔体的混合物,这种混合物由于结晶度高(一般大于40%～50%)而不具有可移动性或喷发性(Miller and Wark, 2008)。“晶粥”模型认为岩浆在地壳中绝大部分时间主要以这种高结晶度的“晶粥”形式储存(Cooper and Kent, 2014),这不同于“大岩浆房”模式中主要以熔体富集(结晶度小于40%～50%)的岩浆形式存在的认识。在岩体增量汇聚的过程中,单一批次的岩浆固结的时间较短,能否维持一定量的熔体乃至形成岩浆房是由岩浆补给通量(magma flux)决定(Annen et al., 2015)。当岩浆补给的通量较小时,不同批次侵位的岩浆可能存在明显的接触界线(Torres Del Paine岩体, Leuthold et al., 2012);相反地,若岩浆补给的通量较大,则可在较长时间范围内维持一定量的熔体,有足够的时间进行晶体-熔体分离过程,最终形成具有可喷发性的岩浆房(Gelman et al., 2013)。基于“晶粥”模型,Cashman 等(2017)提出在地壳垂向上广泛发育“穿地壳岩浆系统” 的模式,将不同地壳水平的岩浆作用、酸性与基性岩浆作用紧密联系,整合了从幔源岩浆底侵到酸性岩浆喷出地表所涉及的岩浆产生、上升、累积、分异直至喷发等物理过程,试图建立地壳岩浆作用的统一框架。华南是国内外学者高度关注的花岗岩研究区域之一,有大量的岩石学、地球化学数据积累。 Xu等(2020)在前人发表的大量数据的基础上,将形成于浅部地壳的浙江雁荡山和福建云山破火口火山-侵入杂岩、深部地壳侵位的福建平潭-岱前山和长安山杂岩体以及中下地壳的广东麒麟辉长岩包体进行了综合研究,通过仔细的岩相学研究、地球化学对比分析、一系列地球化学数值模拟等,阐述了中国东南沿海白垩纪火山岩和侵入岩的起源与演化过程,建立了不同地壳水平岩浆作用之间的联系及其相应的“穿地壳岩浆系统”模式,对于理解壳幔相互作用、岩浆起源和演化过程以及中国东南沿海活动大陆边缘演化具有启示意义。该模式解释了通过晶体-熔体分离过程形成带状岩体的过程以及这一过程中矿物组合的变化。图a和b为基于冷阴极发光重绘的显微岩相图,显示了紫苏花岗岩(a)和不含斜方辉石花岗岩(b)中的矿物组合以及斜长石和碱性长石的台阶状环带(黑色和红色虚线所示)的空间分布特征。其中,紫苏花岗岩发育斜长石(蓝色所示)团、链状组构(如图a,右下角角图显示了斜长石的空间分布型式,其中深蓝色所代表颗粒发育台阶状环带,浅蓝色颗粒不发育台阶状环带),而在不含斜方辉石的花岗岩中斜长石多为随机分布,缺乏明显的组构特征(b)。(c)推测的岩体相带和熔体在结晶度40%～50%(wt.)时的迁移路径,虚线箭头指示了粒间熔体迁移的方向。图例中的数字表示大多数矿物具有两种产状或结构:自形和它形斜方辉石;自形和它形黑云母;发育或不发育台阶状环带的斜长石;石英和碱性长石堆积过程中和堆 积过程后生长的晶体。底图据Zhao等(2018)
2.5 金属稳定同位素约束花岗岩形成机制
金属稳定同位素研究近年来发展迅速,但对于这些同位素手段如何应用到花岗岩研究中仍然处于探索阶段。对于Fe同位素来说,现有数据表明,高硅花岗岩(SiO2 > 70%)相对于低硅花岗岩(SiO2 < 70%)具有更重的Fe同位素组成,且δ56Fe值随着SiO2含量的增加有不断升高的趋势(图2a)。目前的研究认为,控制高硅花岗岩Fe同位素分馏的机制主要有两种:一种是含铁矿物的分离结晶(Schoenberg and Blanckenburg, 2006; Foden et al., 2015);另一种是岩浆演化晚期的流体出溶(Poitrasson and Freydier, 2005; Heimann et al., 2008)。但高硅花岗岩缺乏明显的Zn同位素(流体活动性元素)分馏(Telus et al., 2012),且质量平衡计算进一步表明岩浆自身流体出溶能引起的Fe同位素分馏很小(<0.06‰; Du et al., 2019),这说明矿物的分离结晶才是控制大部分高硅花岗岩Fe同位素分馏的主要原因。从总体上看,不同类型花岗岩的Fe同位素组成有一定差异:其中A型花岗岩具有较重Fe同位素组成,I型花岗岩Fe同位素组成偏轻,S型花岗岩则介于两者之间(图2a; Foden et al., 2015)。这是因为A型花岗质岩浆具有低的H2O含量和氧逸度,导致富集Fe3+的磁铁矿(富集重Fe同位素)饱和晚,大量分离含Fe2+的硅酸盐矿物(富集轻Fe同位素)使残余熔体不断富集重Fe同位素;而I型花岗岩则具有高的H2O含量和氧逸度,磁铁矿饱和早,在一定程度上抵消了δ56Fe升高的趋势(Sossi et al., 2012; Foden et al., 2015)。
图2 不同类型花岗岩的Fe、Mg、Cu同位素组成分布
现有的数据表明,大部分的I型和S型花岗岩都具有和MORB相似的Mg同位素组成(δ26Mg=-0.25‰±0.06‰)(Teng et al., 2010),而一些高SiO2的I型和大部分的A型花岗岩的Mg同位素组成则明显偏重。花岗岩中常见的含Mg的硅酸矿物(角闪石和黑云母)具有和全岩相似的同位素特征,分离不会引起明显的Mg同位素分馏(Liu et al., 2010);磁铁矿的Mg同位素相比全岩偏重,分离使残余熔体的Mg同位素变轻(Wang et al., 2020)。这表明,矿物的分离结晶可能并不是花岗岩Mg同位素分馏的主要原因。化学风化会带走轻Mg同位素,导致残留物质富集重Mg同位素(Teng, 2017)。因此,高SiO2的I型和A型花岗岩中高的δ26Mg特征被认为是地表风化物质的加入引起的(Shen et al., 2009; Li et al., 2010)。但令人费解的是,起源于沉积物部分熔融的S型花岗岩却显示出与MORB相似的Mg同位素特征。此外,低SiO2的花岗岩也可能有较多地表风化物质加入到源区之中,它们为什么没有表现出Mg同位素的变化呢?可见,花岗岩的Mg同位素分馏机制还需要更多的研究才能澄清。
对于花岗岩的Cu同位素来说,目前积累的数据更少,仅有Li等(2009)报道了拉克兰褶皱带I型和S型花岗岩的数据。这些结果表明,S型花岗岩具有比I型花岗岩更大的变化,但总体上差别不大,个别变化较大的值可能是与风化地壳物质的参与或者蚀变有关。限于篇幅,研究进展恕不一一列举。如我国学者近年来在具有埃达克质岩特征的花岗质岩石成岩和成矿研究方面也做出了具有国际影响力的重要贡献。总的来看,进入21世纪第二个十年,国内外花岗岩成因理论和成因过程的研究进入了新的发展阶段。以下将结合花岗岩研究前沿和笔者近年来的重点工作,简述有关中国东南沿海花岗质火山-侵入杂岩的研究现状和问题。
4 研究趋势和研究意义
随着地球化学分析技术快速发展和花岗岩成岩模拟的不断深入,花岗岩成因类型与成因机制、花岗岩成因与大陆地壳演化、花岗岩形成与构造背景识别、花岗岩浆的分异与成矿效应、花岗岩与壳幔相互作用等诸多方面取得了巨大的进展,但在花岗质岩浆起源与演进过程方面的研究还存在许多前沿科学问题。正如马昌前和李艳青(2017)指出的,只有将侵入岩与火山岩相结合,重点从侵入体形成的时间长短、岩浆相互作用的规模和频率、岩浆通量的演变、高结晶度的岩浆分异机理、侵入岩与火山岩的关系、地幔热和物质的贡献等方面入手,开展野外地质、岩石学、地球化学、同位素年代学及岩浆动力学的综合研究,才能深入认识花岗岩的成因机制,深化对大陆地壳形成和演化过程的理解。因此,利用我国典型地区,如中国东南沿海白垩纪花岗质火山-侵入杂岩及火山机构地质出露良好的独特优势,结合精细的年代学和矿物学工作,以及大数据、数值模拟、地球物理等手段,针对关键科学问题进行解析,必将提升花岗岩研究的基础理论水平、增强我国对花岗岩成因与活动大陆边缘演化、花岗质岩浆演化与成矿效应的认知,取得开拓性的成果,具十分重要的科学意义和实际价值。正如前文所述,花岗岩的研究还需与大陆形成和演化等紧密结合,以期在地球科学的发展中发挥更大的作用,我们认为,以下几个方面的工作值得深入开展:(1)花岗岩类岩石的产生与大陆形成,包括地球早期花岗质岩石的特征、类型、产生的机制、演变规律,其形成与板块构造体制和大陆抬升之间的联系,以及与地球早期花岗质岩石相关的岩浆过程等。(2)花岗岩成因与大陆地壳演化,主要包括元古宙以来花岗岩类多样性的成因与机制,花岗岩类形成的构造和岩浆动力学过程,花岗岩的源区,地壳岩浆体系与壳幔作用过程,大陆再造的机制和物理化学条件,花岗岩成因模拟,以及花岗岩形成与古环境变迁等。(3)岩浆储库的形成和演化,包括岩浆储库(岩浆房)形成与演化的精细过程及其时间尺度,相关的岩浆动力学机制,岩浆喷发与否的控制因素,超级火山喷发的机制,可能的成矿效应、环境效应等。(4)陆内花岗岩的形成与岩石圈演化,包括陆内岩石圈演化深部动力学过程,陆内环境下大陆再造的机制和条件,以及可能的陆内花岗岩成分多样性与成矿之间的联系等。(5)花岗岩与地球宜居性,包括基于花岗岩形成过程的大数据分析等来研究地球内部结构、物质组成、深部动力学、壳幔相互作用等之间的联系,揭示花岗质岩浆的形成与物质循环和再造、地球深部挥发分作用和深部氧化还原条件之间的联系,探索地球宜居性的调控机制等。论文信息：徐夕生,王孝磊,赵凯,杜德宏.新时期花岗岩研究的进展和趋势[J].矿物岩石地球化学通报,2020,39(05):899-911+1069.
