黄方教授课题组发现花岗岩熔体和晶体分离的Ba同位素证据
花岗岩是地球区别于太阳系内其他行星的重要特征之一。研究花岗岩成因对于理解陆壳的形成与生长以及中酸性岩浆的喷发具有重要意义。花岗岩本身虽然矿物组成类型相对简单，但是其化学成分可以显示明显的多样性。分离结晶被认为是导致花岗岩成分变化最重要的机制，不过在粘稠的花岗质岩浆中如何实现晶体与残余熔体分离，并最终产生高分异花岗岩仍然存在争议。
近年来，从部分结晶的中酸性岩浆中提取填隙熔体的晶粥体演化模型被广泛接受。晶粥体式的岩浆演化过程可能控制了穿地壳岩浆运移系统，为理解侵入岩与喷出岩之间的成因联系提供了依据。与铁镁质岩浆分异过程相比，花岗质残余晶粥体产物通常并不容易被直接识别。虽然花岗岩中Ba、Zr、Rb等微量元素含量变化提供了一些信息，但是由于熔体提取效率有限，这些微量元素指标极易被残余晶粥体中保存的填隙熔体成分以及后期热事件所改变甚至掩盖。岩浆晶粥体演化过程中会发生压实以及晶体受阻沉降等机械相互作用，对花岗岩中晶体的空间分布具有显著影响，因此检验花岗岩中共生矿物的成分关系可以为晶体-熔体分离过程提供直接制约。
利用传统的主微量元素等信息很难准确判断可能的晶体空间分布变化，但是Ba同位素地球化学则可以发挥明显的优势。花岗岩结晶分异过程中，Ba主要进入造岩矿物碱性长石和云母中，表现为相容元素。但是不同矿物以及熔体中Ba的键合环境存在差异，因此结合全岩和单矿物之间的Ba同位素分馏首先可以有效制约岩浆的结晶分异情况。其次，Ba在上述矿物中极慢的扩散速率使得其原始Ba同位素组成信息可以被有效保存，因此共生矿物间Ba同位素组成的平衡关系可能为晶粥体演化中的物理过程提供了新的地球化学示踪剂。
本研究的样品来自华北克拉通东部胶北地体内的回里花岗岩体，该岩体由两组钾长石花岗岩和侵入二者之间的演化程度更高的钠长石花岗岩组成（图1）。前人工作显示两类花岗岩具有相同的岩浆源区，钠长石花岗岩是由部分结晶的富K母岩浆晶粥体中提取出的富Na填隙熔体形成的，而钾长石花岗岩代表残余晶粥体。两类花岗岩之间的Ba和Sr含量变化也符合这一成岩模型。因此，回里花岗岩体为验证Ba同位素示踪花岗质岩浆晶粥体演化过程提供了绝佳样品。我们对回里花岗岩样品进行了系统的Ba同位素测试，取得了如下结果和认识：
图1. 回里花岗岩野外照片
（1）演化程度更高的钠长石花岗岩具有明显更重的Ba同位素组成，两类花岗岩之间的Ba同位素分馏值最高可达1.09‰（图2）。这是钾长石控制岩浆演化产生的，钾长石具有所有含Ba矿物中最高的Ba含量和最低的δ138/134Ba值。填隙熔体被部分提取之后，残余晶粥体的Ba同位素组成并不会显著偏离母岩浆的初始Ba同位素组成。这一结果将有助于识别高分异花岗岩以及理解高硅流纹岩与花岗岩之间的成因联系；
图2. 回里花岗岩全岩Ba同位素组成变化
（2）回里钾长石花岗岩中共生的含Ba矿物并未处于Ba同位素平衡状态，但并不是化学扩散作用的结果。结合对样品微观结构的观察结果，我们认为这些共生矿物之间不平衡的Ba同位素分馏应该记录了晶体-熔体分离过程，反映岩浆演化不同阶段和位置的晶体的聚集。晶体重新填充驱动的压实作用是实现这一晶体聚集过程的最有效物理机制（图3）。
图3. 花岗质岩浆储库中晶体-熔体分离模式图
这项工作的科学意义在于：①厘清了花岗质岩浆结晶分异过程中的Ba同位素分馏机理；②将Ba同位素建立为一种新的更有效的地球化学指标来示踪花岗质岩浆储库中的晶体-熔体分离过程；③为论证流纹岩与花岗岩的成因联系以及制约花岗质岩浆储库中晶体-熔体分离的物理机制提供了新的地球化学证据。
上述研究成果最近发表于国际地球化学领域知名学术期刊Geochimica etCosmochimica Acta，中国科学技术大学博士研究生邓庚辛为论文的第一作者，黄方教授为通讯作者，共同作者包括康晋霆博士，南晓云博士，丁昕特任副研究员和中国科学院地质与地球物理研究所的郭敬辉研究员和李友连工程师。此项目得到了中国科学院先导项目（XDB18000000）和国家自然科学基金项目（41873009，41630206，41721002）的支持。
论文连接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.09.027
