變基性巖部分熔融過程中榍石的微量元素效應:以南迦巴瓦混合巖為例*

趙令浩 曾令森 高利娥 高家昊 王亞飛 張立飛

1.自然資源部深部動力學重點實驗室，中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 1000372.北京大學地球與空間科學學院，北京 1008713.國家地質(zhì)實驗測試中心，北京 100037

在巖漿巖地球化學研究中，常應用放射成因同位素(Nd、Sr、Pb、Hf)和微量元素的組成或比值來反演巖漿或部分熔融的源區(qū)、限定構(gòu)造背景及形成演化過程。但由于相對較低的熔融溫度、豐富的流體相加入和強烈的構(gòu)造變形，地殼部分熔融產(chǎn)生的熔體常具有復雜的微量元素和放射成因同位素地球化學特征(Hammoudaetal.,1996;Davies and Tommasini,2000;Knesel and Davidson,2002;Zengetal.,2005a,b,2012;McLeodetal.,2012;Gaoetal.,2017)，嚴重地影響了對花崗巖的成因和巖漿過程的認識。野外和實驗研究已揭示深熔熔體的微量元素和同位素地球化學特征主要取決于深熔過程中參與熔融反應的礦物相，而非全巖成分(Tommasini and Davies,1997;Knesel and Davidson,2002;Zengetal.,2005c)。與造巖礦物相比，副礦物(如鋯石、磷灰石、獨居石、榍石等)在巖石中所占的比例常常不到1%，但它們賦存的REE、HFSE、U、Th等元素可占全巖含量的90%以上，因此了解副礦物在部分熔融過程中地球化學行為是評估熔體微量元素和放射成因同位素特征形成機制的關鍵(Watson and Harrison,1984)。

Ayres and Harris (1997)、Bea and Montero (1999)和Zengetal.(2005a,b,c)建立了地殼變泥質(zhì)巖部分熔融過程中主要副礦物(磷灰石、獨居石、鋯石和磷釔礦)對于熔體微量元素和Nd同位素組成影響的概念模型；Gaoetal.(2017)揭示了喜馬拉雅造山帶中新世存在的兩種類型較原始的淡色花崗巖在全巖主量和微量元素及放射成因同位素(Sr和Hf)組成上都表現(xiàn)出顯著差異，它們分別對應于變沉積巖白云母脫水部分熔融和水致白云母熔融反應的產(chǎn)物(Gaoetal.,2017;曾令森和高利娥,2017)。地殼巖石經(jīng)歷的壓力、溫度和揮發(fā)分(P-T-X)條件決定了部分熔融過程中可發(fā)生不同類型的熔融反應，導致部分熔融反應中造巖礦物與副礦物溶解行為的差異，形成地球化學性質(zhì)各異的熔體。上述研究為深入解譯地殼熔體復雜的微量元素和同位素特征提供了理論基礎。

基性下地殼的部分熔融是形成大型花崗巖巖基、TTG和高Sr/Y比值巖漿巖的主要機制(Wolf and Wyllie,1991;Atherton and Petford,1993;Rapp and Watson,1995;Ducea and Saleeby,1996,1998;Foleyetal.,2002;Klemmeetal.,2002;Rappetal.,2003;Saleebyetal.,2003;Zengetal.,2011;Wangetal.,2018)。基性下地殼主要由角閃巖相-榴輝巖相變基性巖組成，榍石是這些巖石中主要副礦物之一。在基性巖石部分熔融過程中，榍石如何影響熔體的微量元素組成特征是值得深入研究的課題之一。

榍石(CaTi1-xAlxSiO4(O,OHx,Fx))在基性變質(zhì)巖和中酸性鈣堿性巖漿巖中廣泛存在，是稀土元素和高場強元素的重要載體。榍石中Ti是主要結(jié)構(gòu)元素，因此榍石在硅酸鹽熔體中的溶解受Ti溶解度的影響。實驗研究表明TiO2在熔體中的溶解度與壓力、氧逸度負相關，與溫度正相關，并且熔體成分對于TiO2溶解度影響明顯：高Si、Al含量會降低TiO2溶解度，而在高Ca、Na等陽離子含量的熔體中TiO2溶解度升高(Green and Pearson,1986a;Xiongetal.,2009)，熔體中F、Cl含量升高會大幅度提高TiO2溶解度(Rappetal.,2010)。因此，基性巖高TiO2含量導致在部分熔融過程中，含Ti礦物相(如金紅石、榍石和鈦鐵礦)可能以反應殘留礦物或轉(zhuǎn)融礦物形式在殘留體和淡色體中廣泛存在，進而控制著全巖的Ti、V、Nb、Ta、REE、U、Th等元素配分(Hellman and Green,1979;Rushmer,1991;Storkeyetal.,2005)。如全巖“U”形REE配分模式常被認為與榍石的部分熔融殘留或結(jié)晶分異作用相關(Hellman and Green,1979;Green and Pearson,1986b;Glazneretal.,2008)。

榍石微量元素配分系數(shù)受熔體或全巖成分影響明顯(Prowatke and Klemme,2005)，尤其是在高Si、Al花崗質(zhì)熔體中，榍石配分系數(shù)急劇增大(作者待發(fā)表數(shù)據(jù))，因此，了解榍石在地殼部分熔融過程中的行為及其對于熔體微量元素的調(diào)控效應對于認識花崗巖的微量元素特征及其形成過程具有重要意義。

南迦巴瓦高級變質(zhì)地塊中廣泛出露中下地殼變基性巖部分熔融形成的層狀混合巖和淡色花崗巖。多數(shù)淡色體代表不同熔融程度形成的花崗質(zhì)熔體，少數(shù)淡色體可能裹挾源區(qū)組分(如未熔鉀長石、鋯石或榍石)。這些基性混合巖中發(fā)育不同成因的榍石，記錄了從部分熔融到熔體分離過程的信息，為深入了解中下地殼變基性巖部分熔融過程及榍石的地球化學行為對于熔體的微量元素組成(尤其是REE和HFSE)的影響提供了良好機會。本文結(jié)合基性混合巖、淡色花崗質(zhì)熔體及不同成因榍石的微量元素數(shù)據(jù)，探討榍石在部分熔融過程中的地球化學行為及其對熔體微量元素的影響。

1 地質(zhì)概況及樣品描述

喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)位于拉薩地塊東部，由岡底斯巖基、雅魯藏布縫合帶和高喜馬拉雅結(jié)晶巖系三個單元組成(圖1)，其中高喜馬拉雅地體俯沖到岡底斯巖基之下。南迦巴瓦地塊位于東構(gòu)造結(jié)核部，隸屬于高喜馬拉雅結(jié)晶巖系，被岡底斯巖體包圍，由經(jīng)歷高級變質(zhì)作用的片麻巖、角閃巖、石榴輝石巖、變泥質(zhì)巖、鈣硅酸鹽和各種成分的混合巖組成(Zhong and Ding,1996;Liu and Zhong,1997;Boothetal.,2004,2009;Gengetal.,2006;Liuetal.,2007;戚學祥等,2010;Shenetal.,2010;Zhangetal.,2010b,2012;Guilmetteetal.,2011;Suetal.,2012)。研究表明新生代以來(>40Ma)，南迦巴瓦地塊經(jīng)歷了多期變質(zhì)作用，最高可達麻粒巖相變質(zhì)作用(14～18kbar，>800℃；Liu and Zhong,1997;Ding and Zhong 1999;Dingetal.,2001;Gengetal.,2006;Liuetal.,2007;Guilmetteetal.,2011;Suetal.,2012;Xuetal.,2012;Pengetal.,2018)，同時伴隨著部分熔融的發(fā)生(Burgetal.,1998;Boothetal.,2009;Zhangetal.,2010a,b;Zengetal.,2012)，形成不同類型的混合巖和淡色花崗巖。盡管對于區(qū)域巖石經(jīng)歷高壓麻粒巖相變質(zhì)作用時間仍存在爭議(Dingetal.,2001;Liuetal.,2007;Zhangetal.,2010b;Suetal.,2012;Pengetal.,2018)，但越來越多的鋯石和獨居石U-Pb年代學研究結(jié)果表明南迦巴瓦地塊經(jīng)歷的高壓麻粒巖相變質(zhì)作用發(fā)生于～24Ma，在隨后的折返過程中經(jīng)歷了退變質(zhì)作用的影響，例如～18Ma經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)作用(Xuetal.,2012;Suetal.,2012)。巖石學和U-Pb定年研究表明變泥質(zhì)巖、石榴輝石巖和石榴角閃巖在30～10Ma期間處于高壓條件(>10kbar)(Liuetal.,2007;Boothetal.,2009;Zhangetal.,2010b;Zeitleretal.,2014)，變基性巖和變泥質(zhì)巖經(jīng)歷了同期的高壓麻粒巖相變質(zhì)作用，并發(fā)生了部分熔融，產(chǎn)生了大量富Na和富K的花崗質(zhì)熔體(Burgetal.,1998;Dingetal.,2001;Boothetal.,2004;Zengetal.,2008,2012)。熱年代學研究結(jié)果表明南迦巴瓦巖體在20～10Ma處于緩慢抬升階段，抬升速率不足以明顯影響地溫梯度；從10～8Ma開始快速剝露和抬升過程，抬升速度可達5～10mm/yr，對應的地表剝蝕厚度達30～60km；5Ma后再次進入緩慢抬升階段(Zeitleretal.,2014)。快速而強烈的地表剝蝕導致相對較熱的地殼巖石快速抬升至地殼淺部(Zeitleretal.,2001;Finneganetal.,2008)，由于壓力的快速降低，巖石發(fā)生大范圍脫水部分熔融，部分地區(qū)由于淺表水的加入發(fā)生水致部分熔融(Burgetal.,1998;Dingetal.,2001;Boothetal.,2004,2009)。野外觀察表明角閃巖和變泥質(zhì)巖都經(jīng)歷了高角閃巖相到麻粒巖相的變質(zhì)作用，同時發(fā)生部分熔融，形成層狀混合巖及順層或斜切面理的淡色花崗巖(Burgetal.,1998;Liuetal.,2007;Boothetal.,2009;Zhangetal.,2010b;Zengetal.,2012)。兩種混合巖中的淡色體都具有過鋁花崗質(zhì)成分特征，富K的淡色體主要發(fā)育在變泥質(zhì)巖中，富Na的淡色體主要包裹在角閃巖中(Zengetal.,2012)。

圖1 南迦巴瓦地質(zhì)簡圖和采樣點(據(jù)Zeng et al.,2012)Fig.1 Simplified geological map of the Namche Barwa area,showing the sample locations (after Zeng et al.,2012)

南迦巴瓦發(fā)育多種類型的角閃巖，包括斜長角閃巖(LZ06-22)、含石榴子石角閃巖(ZB06-04)和含黑云母石榴角閃巖(ZB06-03)，這些角閃巖都經(jīng)歷了部分熔融，形成條帶狀混合巖。

ZB06-03為層狀混合巖化含黑云母石榴角閃巖，由薄層淡色體(～1cm)和厚層基性暗色體構(gòu)成(圖2a)。暗色體主要由角閃石、石榴子石、黑云母組成，副礦物包括磷灰石、鋯石和榍石，大量副礦物包裹在黑云母或角閃石顆粒中(圖2b)；淡色體由斜長石、石英、鉀長石、三元長石、角閃石、綠簾石、榍石、磷灰石、鋯石和鐵氧化物組成。該混合巖中主要發(fā)育兩種類型的榍石：暗色體中的榍石包裹在角閃石和黑云母顆粒中，呈梭形，長軸定向排布，粒徑10～50μm，部分顆粒發(fā)生明顯變形反映了構(gòu)造作用的影響；淡色體中的榍石較自形，粒徑100～200μm(圖2c)。

ZB06-04為混合巖化石榴角閃巖，由角閃石、斜長石、榍石、金紅石、磷灰石和鋯石組成。榍石呈半自形-他形結(jié)構(gòu)分布在基質(zhì)中或包裹于其他礦物中(圖2e)。

樣品ZB06-04L1和ZB06-04L2是混合巖中分選出的相對較厚的包裹在角閃巖中的淡色體。2件淡色體都由斜長石、石英、鉀長石和石榴子石組成，副礦物為鋯石、磷灰石和榍石，其總體含量較低(圖2f)。

LZ06-22為混合巖化斜長角閃巖。暗色體(LZ06-22M)由角閃石、斜長石、石榴子石和石英組成，副礦物包括少量金紅石、鋯石、磷灰石(圖2d)。部分角閃石顆粒中包裹鈦鐵礦和定向分布的金紅石。淡色體(LZ06-22L)由石英、斜長石、鉀長石、石榴子石、角閃石組成，副礦物包括綠簾石、白云母、榍石、鋯石和磷灰石。石榴子石顆粒中包裹斜長石、白云母、黑云母、綠泥石、黃鐵礦和鈦鐵礦。

成分不同的角閃巖發(fā)生不同程度部分熔融，形成花崗質(zhì)淡色體。整體上，混合巖暗色體礦物主要包括角閃石、石榴子石、榍石和黑云母；而淡色體主要由石英、斜長石、鉀長石組成，少數(shù)淡色體包含源區(qū)或轉(zhuǎn)熔型礦物，如石榴子石、角閃石、鉀長石、黑云母、榍石、鋯石等，被花崗質(zhì)熔體從原巖分離時裹挾。這些混合巖為研究部分熔融的過程及副礦物(尤其是榍石)對熔體微量元素及同位素地球化學特征的影響提供了良好的實驗對象。

2 測試方法

2.1 全巖地球化學分析

選擇混合巖中相對較厚的向兩側(cè)尖滅的淡色體(～1cm)及混合巖樣品進行全巖地球化學分析。全巖主、微量元素分析在國家地質(zhì)實驗測試中心完成。主量元素含量采用X射線熒光光譜儀(XRF-PW4400)測定，測試精度為5%；微量元素和稀土元素含量采用等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS-Excell)測定，含量大于1×10-6的元素的測試精度為5%，小于1×10-6的元素測試精度為10%，少數(shù)含量較低的元素，測試誤差大于10%。

2.2 榍石微量元素分析

榍石微區(qū)原位微量元素分析在國家地質(zhì)實驗測試中心完成，使用New Wave 193nm ArF準分子激光器及Finnigan ELEMENT 2高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。激光剝蝕采用30μm斑束，頻率10Hz。ICP-MS分析采用低分辨模式。詳細分析方法和流程同趙令浩等(2017)。數(shù)據(jù)處理采用Excel完成，利用多外標結(jié)合內(nèi)標基體歸一定量技術(shù)(胡明月等,2008)，選擇Ca為內(nèi)標元素。利用該分析方法以NIST610為標準樣品(Pearceetal.,1997)，計算監(jiān)控樣品KL2-G(Jochumetal.,2006)主量元素含量誤差小于5%，微量元素和稀土元素含量誤差小于10%。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果

南迦巴瓦變基性混合巖和淡色體全巖主、微量元素數(shù)據(jù)及榍石微量元素數(shù)據(jù)分別列于表1和表2。混合巖樣品中淡色體向周圍尖滅或包裹在基性巖中，未發(fā)生明顯熔體丟失，其成分可以代表或接近于原始熔體特征。

續(xù)表1Continued Table 1

表2 南迦巴瓦混合巖(樣品ZB06-03)中變質(zhì)榍石和巖漿榍石微量元素含量(×10-6)Table 2 Trace element contents of metamorphic and magmatic titanites in migmatite (Sample ZB06-03) from the Namche Barwa (×10-6)

續(xù)表2Continued Table 2

3.1 全巖地球化學特征

淡色體具有以下地球化學特征：較高的SiO2(66.64%～79.03%)、Al2O3(10.99%～18.20%)、CaO(0.59%～5.20%)、Na2O(2.11%～6.12%)、TiO2(0.03%～0.30%)含量和A/CNK(0.97～1.30)、Na2O/K2O(0.35～38.0)比值。樣品ZB06-03L與源巖分離過程中裹挾了鉀長石和黑云母導致Na2O/K2O<1。變角閃巖中包裹的淡色體主量元素顯示富鈉過鋁質(zhì)特征(圖3)。

圖3 南迦巴瓦變基性混合巖和淡色體主量元素地球化學特征Fig.3 Covariation diagrams of the selected major oxides of Al2O3 (a),TiO2 (b),CaO (c) and FeO+MgO (d) vs.SiO2 for the mafic migmatites and leucosomes from the Namche Barwa area

在微量元素組成上，淡色體樣品總體虧損Ti、Nb、Ta和HREE(圖4)。(La/Yb)N=1.30～57.2，(Ho/Yb)N=0.85～1.76，相對富集LREE，HREE分異不明顯。所有淡色體具有Eu負異常特征，Eu/Eu*=0.19～0.85。與混合巖相比較，淡色體中的REE、Sc、V、Y、Zr、Hf、Nb、Ta、U含量較低。淡色體ZB06-04L和LZ06-22L具有高Sr/Y比值特征(Sr/Y=106～237)；ZB06-03L的Sr含量接近于混合巖，Sr/Y比值低(<3.28)。淡色體LZ06-22L和ZB06-03L2的Nb/Ta比值略高于混合巖，其他的淡色體Nb/Ta比值低于混合巖。

與淡色體相比較，混合巖具有以下地球化學特征：較低的SiO2(49.93%～63.99%)和Al2O3(12.60%～13.82%)含量，高FeO、MgO、CaO含量；Na2O含量1.80%～4.06%，K2O含量較低0.43%～4.14%，Na2O/K2O比值0.16～1.50，A/CNK比值0.54～0.78；混合巖TiO2含量為0.94～3.77，明顯高于淡色體(圖3)?；旌蠋rZB06-03相對于其他樣品SiO2含量偏高可能是由于分析的全巖樣品中淡色體比例偏高造成。

混合巖的稀土元素總量變化較大，ΣREE=38.1×10-6～412)×10-6，REE配分呈緩右傾模式，LREE弱富集，(La/Yb)N=1.11～8.59，HREE配分曲線平坦，(Ho/Yb)N=0.97～1.13，Eu負異常(Eu/Eu*=0.37～0.94)(圖4)。

圖4 南迦巴瓦混合巖和淡色體原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和球粒隕石標準化稀土元素配分圖(b)(標準化值據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.4 Primitive mantle-normalized trace elements diagrams (a) and chondrite-normalized rare earth element distribution diagrams (b) for the mafic migmatites and the leucosomes from the Namche Barwa (normalization values from Sun and McDonough,1989)

混合巖和淡色體樣品TiO2含量與SiO2含量呈負相關關系，與全巖V、Nb、Ta、ΣREE含量及Nb/Ta比值呈正相關關系(圖5)，全巖P2O5含量與關鍵微量元素無相關性。

圖5 南迦巴瓦變基性混合巖及淡色體微量元素關系圖關系圖反映了含Ti副礦物不同程度部分熔融對于淡色體關鍵微量元素含量的控制Fig.5 Covariation diagrams of TiO2 (a),ΣREE (b),Nb (c) and Nb/Ta ratios (d) vs.V for the mafic migmatites and the leucosomes from the Namche BarwaThe diagrams show the role of Ti-bearing phase in regulating the trace element compositions in the amphibolite-derived melts

3.2 榍石地球化學特征

南迦巴瓦混合巖中含有兩種榍石：(1)巖漿榍石，部分熔融過程中從熔體中結(jié)晶的榍石；(2)變質(zhì)榍石，混合巖中殘留的榍石，分布在基質(zhì)中和包裹在角閃石和黑云母中。這兩種類型的榍石在變基性巖部分熔融及巖漿演化過程中廣泛存在。為探討榍石對熔體微量元素特征的影響，采用LA-ICP-MS分析樣品ZB06-03中兩類榍石的微量元素組成(表2)。

巖漿榍石：(1)富集MREE，稀土配分模式呈“上凸”狀(圖6)，(La/Yb)N=0.31～3.94，(Gd/Yb)N=1.83～15.0，Eu負異常明顯(0.27～0.43)；(2)高Nb、Ta含量，具有超球粒隕石的Nb/Ta比值特征(Nb/Ta=19.2～44.8)；(3)高U低Th、Pb含量，U/Th比值1.30～6.48。

圖6 混合巖ZB06-03中變質(zhì)榍石和巖漿榍石微量元素圖(a) REE配分模式；(b) Ta-Nb；(c) Sr-Eu/Eu*；(d) U/Th-Nb/TaFig.6 Plots of trace elements in magmatic titanite and metamorphic titanite in migmatite ZB06-03(a) chondrite-normalized REE distribution diagram;(b) Ta vs.Nb;(c) Sr vs.Eu/Eu*;(d) U/Th vs.Nb/Ta

變質(zhì)榍石：(1)富集LREE(圖6)，(La/Yb)N=0.63～4.17；(Gd/Yb)N=0.76～1.47，MREE和HREE未發(fā)生明顯分異，Eu弱負異常至無異常(Eu/Eu*=0.74～1.00)；(2)Nb、Ta含量及Nb/Ta比值低于巖漿榍石，Nb/Ta比值低于球粒隕石；(3)U含量低于巖漿榍石，Th含量較高，U/Th比值0.21～1.59。

總體上，混合巖ZB06-03中兩種榍石均富集REE和HFSE，但是二者的REE配分模式、Nb/Ta和U/Th比值具有明顯差異，指示了兩種榍石不同的成因和形成環(huán)境。

4 討論

4.1 南迦巴瓦變基性巖部分熔融過程

南迦巴瓦混合巖化角閃巖包裹的淡色體具有相似的主量元素特征，即富Na和Ca過鋁花崗質(zhì)。實驗巖石學和野外研究表明，富Na過鋁花崗質(zhì)熔體形成機制有兩種：變泥質(zhì)巖在高壓條件下(>10kbar)的水致部分熔融(Patio Douce and Harris,1998;Zengetal.,2012)或基性巖(如角閃巖)部分熔融(Beard and Lofgren,1989;Wolf and Wyllie,1991,1994;Rapp and Watson,1995;López and Castro,2001;Zengetal.,2011)。高利娥等(2009)和Zengetal.(2011)分別在雅拉香波地區(qū)發(fā)現(xiàn)～35Ma淡色花崗巖和～43Ma二云母花崗巖具有高SiO2、Na2O、Sr/Y比值特征，并認為該富Na過鋁質(zhì)花崗巖是角閃巖脫水部分熔融形成；同時Zengetal.(2012)報道了南迦巴瓦地區(qū)21～25Ma變泥質(zhì)巖水致部分熔融形成的富Na和Ca淡色花崗巖。

與上述數(shù)據(jù)相比較，除ZB06-03L外，南迦巴瓦變基性巖中的淡色體與雅拉香波二云母花崗巖表現(xiàn)出相似的成分和地球化學特征，高SiO2、CaO、Na/K和Sr/Y比值，虧損Ti、Nb、Ta、REE等元素，具有類埃達克質(zhì)特征(Zengetal.,2011)。

ZB06-03L具有高K2O、Rb、Ba、Zr和Hf含量的特征，與混合巖及淡色體中含有黑云母和鉀長石現(xiàn)象一致。在角閃巖脫水部分部分熔融的溫壓條件下，取決于黑云母的成分，尤其是具有高Fe/Mg比的黑云母，也可發(fā)生不同程度的部分熔融作用(Patio Douce and Beard,1995;Skjerlie and Patio Douce,1995;Gardienetal.,2000)，同時黑云母部分熔融產(chǎn)生的鉀長石被裹挾進入淡色體，使淡色體K2O、Rb、Ba含量相對于其他角閃巖熔融體系明顯升高。另外，本文中變基性巖和淡色體Sr同位素組成(作者待發(fā)表數(shù)據(jù))明顯低于南迦巴瓦變泥質(zhì)巖(Zengetal.,2011)。野外及地球化學數(shù)據(jù)表明南迦巴瓦變基性巖包裹的淡色體是由角閃巖部分熔融形成，同時伴隨著不同程度的黑云母脫水部分熔融反應：

Hb+Pl=Gt+Cpx+Melt

(1)

Bt+Pl+Qz=Kfs+Opx+Melt

(2)

混合巖ZB06-03鋯石SHRIMP U-Pb年齡結(jié)果表明該基性混合巖原巖形成于元古代(作者，待發(fā)表數(shù)據(jù))，角閃石脫水部分熔融時間為7.1±0.5Ma，形成的溫壓條件為950±25℃和7.5±0.2kbar(曾令森等,2009)。其原巖年齡與Zhangetal.(2012)報道的南迦巴瓦巖體角閃巖原巖年齡一致，表明在南迦巴瓦地區(qū)，發(fā)生過深俯沖的喜馬拉雅巖片在快速折返-減壓過程中于7.1～7.4Ma經(jīng)歷了高溫變質(zhì)作用，變角閃巖發(fā)生脫水部分熔融(Boothetal.,2004)。

角閃巖部分熔融實驗表明：隨熔融程度升高，熔體中SiO2含量逐漸降低，而鐵鎂質(zhì)成分含量逐漸升高(Sen and Dunn,1994;Wolf and Wyllie,1994)。南迦巴瓦變基性巖包裹的淡色體SiO2含量與Al2O3、TiO2、FeO、MgO等元素含量呈負相關系(圖3)表明該角閃巖在抬升折返過程中經(jīng)歷了不同程度部分熔融，其中LZ06-22部分熔融程度最高，ZB06-04L為低度部分熔融的產(chǎn)物。

相對于主量元素的一致性，南迦巴瓦不同類型角閃巖部分熔融產(chǎn)生的淡色體的微量元素特征具有較大差別。地殼巖石部分熔融過程中，不同熔融反應導致的造巖礦物與副礦物的溶解行為差異是造成熔體的微量元素和放射性同位素差異的主要原因之一(Watson and Harrison,1984;Ayres and Harris,1997;Beaetal.,1999;Zengetal.,2005a,b,c;Gaoetal.,2017)。

榍石作為南迦巴瓦變角閃巖樣品中主要的副礦物，在部分熔融過程中，花崗質(zhì)熔體低Ti溶解度使榍石以變質(zhì)殘余礦物或轉(zhuǎn)熔礦物形式殘留在固態(tài)相中，導致淡色體相對于源巖或混合巖虧損Ti、REE、V、Y、Nb、Ta、U等榍石富集元素(圖4)；淡色體中TiO2含量與SiO2含量呈負相關關系，與全巖V、Nb、Ta、ΣREE含量及Nb/Ta比值呈正相關關系(圖5)。盡管基性巖中含有的磷灰石和金紅石也可能對熔體微量元素造成影響，但本文中熔體的P2O5含量與關鍵微量元素無明顯相關性；LZ06-22樣品中金紅石為主要含Ti副礦物，其淡色體微量元素變化趨勢與其余樣品明顯不同(圖5)。因此角閃巖樣品ZB06-03和ZB06-04中，榍石的行為影響并控制著熔體的關鍵微量元素特征。

4.2 榍石微量元素配分特征

實驗和野外樣品研究表明，榍石與熔體微量元素配分系數(shù)受溫度、壓力、氧逸度、晶體和熔體成分等因素影響(Green and Pearson,1986b;Tiepoloetal.,2002;Prowatke and Klemme,2005;Schmidtetal.,2006;Olin and Wolff,2012)，其中以熔體成分和結(jié)構(gòu)的影響最為明顯(Prowatke and Klemme,2005;Schmidtetal.,2006)。

樣品ZB06-03混合巖和淡色體中發(fā)育兩種榍石，分別計算巖漿榍石/淡色體和變質(zhì)榍石/混合巖全巖配分系數(shù)，結(jié)果如圖7。計算結(jié)果落入Prowatke and Klemme (2005)實驗測定的榍石-熔體配分系數(shù)范圍內(nèi)，具有一致的變化趨勢。榍石富集REE、V、Y、Nb、Ta、Zr、Hf、Th、U等元素，而Rb、Cs、Sr、Pb、Ba等大離子親石元素在榍石中為不相容元素。

圖7 榍石-全巖微量元素配分系數(shù) (陰影區(qū)域數(shù)據(jù)據(jù)Prowatke and Klemme,2005)Fig.7 Titanite-whole rock partition coefficients (shaded area data from Prowatke and Klemme,2005)

相對于LREE，榍石更富集MREE和HREE，因此榍石的殘留或分異導致熔體REE含量降低的同時，REE配分呈現(xiàn)MREE虧損的特征。角閃巖ZB06-04熔融程度較低，榍石殘留導致淡色體REE配分模式略呈“U”形(圖4)。

Nb和Ta在變質(zhì)榍石和巖漿榍石中都為強相容元素。變質(zhì)榍石DNb/Ta=0.85，DNbDTa的推論(如DNb/Ta=0.32～0.44，Green and Pearson,1987;DNb/Ta=0.07～0.28,Prowatke and Klemme,2005)，但上述合成實驗采用的熔體多為中基性熔體(SiO2<62%)，與南迦巴瓦變基性巖形成的高Si-Al花崗質(zhì)熔體成分差異較大。上述差異可能反映了隨著熔體聚合程度的升高，熔體成分及其結(jié)構(gòu)的變化可嚴重影響關鍵元素在榍石和熔體間的配分行為特征。

Schmidtetal.(2004)綜合文獻中金紅石-熔體的Nb和Ta配分系數(shù)結(jié)果表明，盡管DNbDTa。因此本文測定的巖漿榍石Nb-Ta配分系數(shù)可能代表了高Si-Al花崗質(zhì)熔體中榍石的Nb-Ta配分特征。南迦巴瓦變基性巖部分熔融過程中，與淡色熔體平衡的轉(zhuǎn)熔榍石殘留或巖漿榍石結(jié)晶分異是導致淡色體Nb/Ta比值低于混合巖的重要原因。巖漿榍石Nb/Ta比值高于淡色體，說明淡色體中可能有富Ta礦物相存在。

U和Th在巖漿榍石和變質(zhì)榍石中均表現(xiàn)為強相容特征，巖漿榍石DTh/U=0.023～0.028，變質(zhì)榍石DTh/U=0.14～0.57，二者差異截然(圖6d)，因此與鋯石類似(Yakymchuketal.,2018)，Th/U比值可能成為區(qū)分巖漿成因榍石和變質(zhì)成因榍石的重要指示參數(shù)。

Sr在榍石中為不相容元素，而Y為強相容元素，因此榍石具有較低Sr/Y比值。榍石在部分熔融過程中的殘留將導致熔體的Sr/Y比值升高。但在變基性巖中榍石含量遠低于石榴子石和角閃石，因此熔體的Sr/Y比值主要受控于石榴子石和角閃石(曾令森等,2019)。上述淡色體中，Sr/Y比值與熔體V含量成負相關關系，表明在變基性巖部分熔融中，榍石的殘留可升高熔體的Sr/Y比值。

總體上，榍石富集Ti、V、REE、Y、Nb、Ta、U等元素，相對虧損Sr、Ba、Pb等元素，因此在變基性巖部分熔融或花崗質(zhì)巖漿演化過程中，榍石與熔體的分離將導致熔體虧損Ti、V、Y、REE、Nb、Ta、U等關鍵元素，Sr/Y比值相對升高。變質(zhì)榍石殘留導致熔體Nb/Ta比值相對于源巖升高，而與高Si-Al熔體平衡的榍石(轉(zhuǎn)熔榍石或巖漿結(jié)晶榍石)的分離將導致熔體Nb/Ta比值降低。

為定量反應高Si-Al花崗質(zhì)熔體中榍石的行為對于熔體微量元素(尤其是REE配分模式)的影響，根據(jù)巖漿榍石與高Si-Al淡色體微量元素配分系數(shù)進行模擬計算。假定榍石從熔體分離服從瑞利分餾模型：

CL/C0=F(D-1)

CL是殘留熔體中的微量元素濃度，C0為熔體中原始微量元素濃度，F(xiàn)為熔體發(fā)生分異的比例，D是巖漿榍石與花崗質(zhì)熔體之間的配分系數(shù)。經(jīng)歷0.5%～2.0%榍石結(jié)晶分離對于熔體微量元素特征的影響如圖8。榍石發(fā)生結(jié)晶分異或者轉(zhuǎn)熔殘留，1.0%的榍石分離就會導致熔體明顯虧損MREE和HREE，并造成輕微的Eu正異常特征，但對LREE含量影響不明顯。高Si-Al熔體中榍石分離將導致熔體的Nb和Ta含量及Nb/Ta比值顯著降低。

圖8 高Si-Al熔體中榍石結(jié)晶分異模擬Fig.8 Fractional crystallization modeling showing the consequences of removal of 0.5%,1.0%,and 2.0% titanite on the trace element characteristics of the leucosome

5 結(jié)論

(1)南迦巴瓦中下地殼變基性巖在10Ma以來發(fā)生廣泛的不同程度的部分熔融作用，形成地球化學特征各異的淡色體或淡色花崗巖。相對于源巖或熔融殘留體，淡色體虧損Ti、V、REE、Y、Nb、Ta、U等元素，與混合巖中榍石微量元素特征互補，且淡色體中TiO2含量與這些元素含量呈正相關關系。

(2)南迦巴瓦角閃巖熔融形成的淡色體的微量元素特征主要受控于榍石的地球化學行為。在角閃巖脫水部分熔融過程中，由于長英質(zhì)熔體低Ti溶解度，榍石以未熔殘留體形式存在于暗色體中，導致熔體虧損Ti、V、REE、Y、Nb、Ta、U等元素，且Sr/Y比值相對升高。

(3)角閃巖中變質(zhì)榍石DNb/Ta<1，因此變質(zhì)榍石殘留導致熔體Nb/Ta相對于源巖升高；高Si-Al花崗質(zhì)熔體中榍石DNb/Ta>1，因此與高Si-Al熔體平衡的榍石(轉(zhuǎn)熔榍石或巖漿結(jié)晶榍石)的分離將導致熔體Nb/Ta比值降低。

(4)關鍵元素在榍石和熔體之間的配分系數(shù)受熔體成分影響明顯，尤其是高Si-Al花崗質(zhì)熔體中榍石的微量元素配分行為相對于在中基性成分熔體中可能發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，對于認識花崗巖的微量元素特征及其形成過程具有重要意義，亟待更多野外及實驗研究。

致謝感謝中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所張澤明研究員和戚學祥研究員審閱本文并提出了寶貴的修改意見。