磷灰石是火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖中廣泛存在的一種副礦物，其晶格結(jié)構(gòu)中的Ca原子可在不同的結(jié)晶環(huán)境中通過取代反應(yīng)容納不同的微量元素，因此磷灰石作為理想的“礦物探針”，其地球化學(xué)組成已經(jīng)廣泛應(yīng)用于示蹤巖漿成因和演化以及成礦作用等地質(zhì)過程中。然而，已有研究多集中于地殼高度演化地區(qū)（如克拉通以及復(fù)雜造山帶內(nèi)），中亞造山帶（CAOB）作為典型的新生地殼發(fā)育區(qū)，盡管花崗巖年代學(xué)和地球化學(xué)的廣泛研究為重塑區(qū)域構(gòu)造演化提供了大量證據(jù)，但對花崗質(zhì)巖漿演化過程中的礦物地球化學(xué)控制因素卻了解極少。

針對上述問題，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院許文良教授團(tuán)隊孫晨陽博士等人，聯(lián)合澳大利亞Monash University 的Peter Cawood院士，選擇中亞造山帶東段額爾古納地塊和興安地塊內(nèi)廣泛出露的新元古代~顯生宙花崗巖，通過對磷灰石地球化學(xué)的詳細(xì)研究，并結(jié)合細(xì)致的巖相學(xué)以及斜長石微量元素數(shù)據(jù)，得到如下主要認(rèn)識：

1. 揭示了花崗巖中磷灰石REE豐度的受控因素

磷灰石的稀土配分模式可按照其與全巖的相似性分為“耦合型”和“解耦型”REE模式（圖1）。其中，“耦合型”磷灰石REE模式與稀土元素的分配系數(shù)以及原巖成分密切相關(guān)；而以LREE虧損、HREE輕微富集為代表的磷灰石“解耦型”REE配分模式（圖1），一方面主要是受到輕稀土礦物——褐簾石以及斜長石早期結(jié)晶的影響，另一方面又與巖漿期后變質(zhì)作用的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)（圖2a，b）。此外，通過詳細(xì)的巖相學(xué)證據(jù)以及鋯石–磷灰石飽和溫度計算（圖2c，d），進(jìn)一步修正了前人關(guān)于獨居石、榍石以及鋯石分別對磷灰石輕、中、重稀土元素競爭的認(rèn)識

圖1. CAOB東段花崗巖中磷灰石REE配分模式

圖2. 磷灰石REE配分模式的影響因素 (a)磷灰石Sr/Y-LREE二元判別圖解 (O’Sullivan et al., 2020)——變質(zhì)作用導(dǎo)致磷灰石LREE含量降低；(b)磷灰石(La/Sm)_N與Eu/Eu*協(xié)變關(guān)系及其受控因素；(c)榍石中的磷灰石包裹體——磷灰石結(jié)晶早于榍石；(d)磷灰石(Sm/Yb)_N與磷灰石-鋯石飽和溫度差之間的協(xié)變關(guān)系——鋯石的早期結(jié)晶對磷灰石HREE富集無明顯影響

2. 重新審視了磷灰石微量元素在指示巖漿分異程度時的有效性

與從地殼高度演化地區(qū)得到的認(rèn)識不同，中亞造山帶東段花崗巖中磷灰石微量元素與全巖鋁飽和指數(shù)（ASI）之間并無顯著相關(guān)性（圖3a），而且以往研究所確定的某些稀土元素信號也并未對該區(qū)不同演化程度的花崗巖存在指向性（圖3b，c），因此磷灰石微量元素組成并不能被廣泛應(yīng)用于評估巖漿的分異程度。這一差異主要歸因于中亞造山帶東段具有較低的地殼成熟度。

圖3. (a)磷灰石(La/Sm)_N與全巖ASI值協(xié)變關(guān)系圖；(b)磷灰石Eu/Eu*與(Sm/Nd)_N值協(xié)變關(guān)系圖 (箭頭所示演化趨勢據(jù)Sha and Chappell, 1999)；(c)磷灰石LREE與REY含量協(xié)變關(guān)系圖 (箭頭所示演化趨勢據(jù)Sha and Chappell, 1999)

3. 確定了斜長石早期結(jié)晶以及磷灰石Sr含量對了解全巖成分的重要意義

斜長石的早期結(jié)晶控制了磷灰石對Sr和Eu元素的富集，也在一定程度上影響了殘余巖漿中LREE的含量。同時，結(jié)合斜長石微量元素數(shù)據(jù)，證明Sr在磷灰石、斜長石以及全巖之間遵循相對固定的分配系數(shù)（圖4）。此外，課題組根據(jù)線性擬合結(jié)果，在前人研究（Bruand et al., 2014, 2016）基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出0.69作為Sr在磷灰石和全巖之間的經(jīng)驗分配系數(shù)（圖4c）。

圖4. CAOB東段花崗巖中磷灰石與全巖及斜長石Sr含量協(xié)變關(guān)系圖 (a)斜長石Sr與磷灰石Sr含量協(xié)變關(guān)系；(b)斜長石Sr與全巖Sr含量協(xié)變關(guān)系；(c)磷灰石Sr與全巖Sr含量協(xié)變關(guān)系

4. 提出了埃達(dá)克巖的磷灰石微量元素判別標(biāo)志

磷灰石可以有效繼承埃達(dá)克巖高Sr低Y，無Eu異常、低重稀土含量的特征，據(jù)此，提出了埃達(dá)克巖的磷灰石微量元素判別標(biāo)志并建立了相關(guān)判別圖解（圖5）。

圖5. 埃達(dá)克巖的磷灰石微量元素判別圖解 (a)磷灰石1000/(Eu/Eu*)-10Sr-HREY三角判別圖解；(b)磷灰石Sr-HREY二元判別圖解

綜上，磷灰石為理解花崗質(zhì)巖漿特征和巖石成因提供了重要紐帶，同時也顯示出其在碎屑物溯源中的巨大潛力。

以上研究成果發(fā)表于國際地學(xué)權(quán)威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》.

Chen-Yang Sun (孫晨陽), Peter A. Cawood, Wen-Liang Xu* (許文良), Xiao-Ming Zhang (張笑鳴), Jie Tang (唐杰), Yu Li (李宇), Zhong-Xing Sun (孫眾星), Ting Xu (許婷). In situ geochemical composition of apatite in granitoids from the eastern Central Asian Orogenic Belt: A window into petrogenesis. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2022, 317: 552-573. DOI: 10.1016/j.gca.2021.10.028. 原文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721006414

本研究受國家自然科學(xué)基金（41772047）、澳大利亞研究理事會基金（LF160100168）、國家留學(xué)基金委（201906170217）以及吉林大學(xué)博士生交叉學(xué)科科研資助計劃（101832020DJX069）聯(lián)合資助。