研究亮点
高利娥等-Lithos:花岗岩分离结晶作用过程中稀有金属元素和高场强元素的地球化学行为
喜马拉雅造山带发育两条近平行展布的新生代花岗岩带，是地壳岩石部分熔融作用的典型产物。此带中常见含石榴子石淡色花岗岩和含电气石淡色花岗岩与二云母花岗岩伴生，其中含石榴子石和含电气石淡色花岗岩为演化岩浆，由二云母花岗岩通过分离结晶作用产生。分离结晶作用过程中，花岗质岩浆的溶体结构是否发生变化？重要副矿物（锆石、独居石、磷灰石等）和关键微量元素（Nb, Ta, Zr, Hf等）的溶解行为如何？回答这些问题不仅有利于揭示不同类型淡色花岗岩元素和同位素地球化学差异的形成机制，而且有利于鉴别喜马拉雅淡色花岗岩稀有金属成矿的潜力。
中国地质科学院地质研究所高利娥副研究员、曾令森研究员及其团队人员，选取喜马拉雅造山带中马拉山穹窿和波绒穹窿发育的二云母花岗岩和含石榴子石淡色花岗岩为研究对象，通过确定这些花岗岩的溶体结构参数（NBO/T, A/CNK等），系统分析了两类不同花岗岩元素和同位素地球化学特征差异的原因，为深入了解喜马拉雅淡色花岗岩和其他地区花岗岩的稀有金属富集机制提供了重要的新认识。
马拉山穹窿和波绒穹窿位于特提斯喜马拉雅带中西部，两者相距30公里（图1）。两个穹隆都发育～19.5 Ma和～18.5 Ma的两组花岗岩，都包含二云母花岗岩和含石榴子石淡色花岗岩。
图1 （a）喜马拉雅造山带地质简图，（b）波绒穹窿和马拉山穹窿地质图
研究结果显示，两类花岗岩具有相似的Sr、Nd、Hf同位素特征和系统变化的主微量元素组成特征。从二云母花岗岩到含石榴子石淡色花岗岩，Al2O3、 CaO、 MgO、FeO、TiO2、Ba、Sr、Zr、Th、 U、Sc和 LREEs含量, 以及 Zr/Hf和 Nb/Ta 比值降低，Eu和Nd负异常更明显，但Na2O、Rb、Nb、Ta含量升高（图2）。这些地球化学成分的系统变化充分表明，二云母花岗岩为较原始的熔体，含石榴子石淡色花岗岩为岩浆演化产物。从二云母花岗岩到含石榴子石淡色花岗岩的岩浆演化过程中，经历了斜长石、钾长石、云母、锆石、独居石和磷灰石的分离结晶作用。当岩浆演化到高硅岩浆时，即Zr/Hf=20和Nb/Ta=5时，熔体结构(由溶体结构参数NBO/T, A/CNK等表征)发生实质性变化，导致了副矿物及其携带的关键元素的溶解行为的变化，引起花岗质岩浆的Zr-Hf和Nb-Ta系统关系的变化（图3），以及Sn、Nb、Ta、Be和Cs等元素的富集。关键金属元素的富集，表明喜马拉雅高分异花岗岩具有一定的成矿潜力。
图2二云母花岗岩和含石榴子石淡色花岗岩中重要微量元素地球化学特征对比图
图3 花岗质岩浆溶体结构参数与关键元素地球化学行为的关系
本研究结果表明伴随着分离结晶作用，花岗质岩浆的溶体结构会发生不同程度的变化，导致高场强元素(Nb, Ta, Zr, Hf等)和稀有金属(Sn, W等)在花岗质溶体中的溶解行为的相应变化，是促使高硅花岗质岩石发生稀有金属富集和成矿的关键过程。该成果得到第二次青藏高原科学考察项目(2019QZKK0702)、国家自然科学基金项目（41873023, 92055202, 41425010），和中国地质调查局地质调查项目（DD20190057）的联合资助。成果发表于国际地学期刊Lithos上: Li-E Gao, Lingsen Zeng, Linghao Zhao, Kejun Hou, Chunli Guo, Jiahao Gao, Yaying Wang. 2021. Geochemical behavior of rare metals and high field strength elements during granitic magma differentiation: A record from the Borong and Malashan Gneiss Domes, Tethyan Himalaya, southern Tibet. Lithos, 398-399: 106344.