张旗: 埃达克岩Sr/Y比值剖析
导 读: 学术界常用Sr/Y比值作为判别埃达克岩的标志, 殊不知这个标志是有瑕疵的, 可能直接采用Sr和Y(Yb)的含量作为标志更好。Sr/Y>20的含义表达的是: 与埃达克岩平衡的残留相为榴辉岩(无斜长石有石榴石)。Sr/Y中的Sr与斜长石有关, Y(Yb)与石榴石有关, 故Sr/Y之间不存在因果关系。Sr/Y比值不同于Th/Ta、Rb/Sr、K/Ba等比值, 后者的两个元素之间存在因果关系, 与岩浆岩自身的特征及其演化过程等有关。学术界在如何看待Sr/Y比值上存在误区, 关于埃达克岩的争论基本上围绕着Sr/Y比值展开, 是对Sr/Y比值不同的理解导致的。
1 Sr/Y不是一个合适的埃达克岩的判别标志
埃达克岩是学术界的热门话题之一, 埃达克岩的标志大家都很清楚, 它不是指某一种具体的岩石, 而是具有特定地球化学性质的一套中酸性火成岩组合。其地球化学标志是: 富硅(SiO2≥56%), 高铝(Al2O3≥15%), 低镁(MgO<3%, 很少>6%), 贫Y和Yb(Y≤18×10-6, Yb≤1.9×10-6), Sr含量高(>400×10-6), LREE富集, 无Eu异常(或有轻微的负Eu异常)(Defant and Drummond, 1990)。由于埃达克岩的特征是富Sr贫Y(Yb), 于是, 国内外作者常用图1来判别是否埃达克岩。
A. 榴辉岩作为残留相的MORB部分熔融曲线(箭头指示部分熔融程度减小的方向); B. 矿物分离结晶趋势(橄榄石、斜长石、辉石)(A和B据Defant, 2002); C. 中酸性岩中斜长石分离结晶趋势(Hanson and Langmuir, 1978; Ajaji et al., 1998)。
图1 Sr/Y-Y图
笔者研究埃达克岩从来不采用图1, 因为这个图有瑕疵, 理由是:
(1)图1肯定了埃达克岩的定义, Sr/Y>20以及Y含量的特征, 这些是对的。但是, 没有反映埃达克岩高Sr的特点。图1只表明Y很低, Sr/Y的差别很大, 并没有给出Sr的含量究竟是多少, 而高Sr是埃达克岩的关键标志。因此, 光看图1并不解决问题, 还需要看花岗岩Sr的数据才能决定它是否埃达克岩。有人以为只要Sr/Y>20就足够了, 这是不全面的。
(2)除埃达克岩外, 地球上还有没有其他的花岗岩的Sr含量并不高但Sr/Y却可以很高呢？答案: 有。如低Sr低Y的喜马拉雅型花岗岩, 该类花岗岩的标志大体是: Sr<300×10-6, Y<20×10-6, Yb<2×10-6(张旗等, 2008)。该类花岗岩由于在喜马拉雅山地区分布非常广泛, 故被称为喜马拉雅型花岗岩(张旗等, 2008)。此外, 与卡林型金矿有关的花岗岩大多是高Sr低Y的埃达克岩或低Sr低Y的喜马拉雅型花岗岩, 甘肃南部的许多与卡林型金矿或细脉浸染型金矿有关的花岗岩也是这种类型(张旗等, 2008, 2009)。此外, 国外在纳米比亚(van de Flierdt et al., 2003)、西班牙(Castro et al., 1999; Ram?ez and Grundvig, 2000)、加拿大(Currie et al., 1998)、捷克和德国等地(Kotkovii and Harley, 1999)也有一些这种类型的花岗岩, 如二云母花岗岩、白云母花岗岩、淡色花岗岩等。埃达克岩如果经历了强烈的蚀变作用, 导致斜长石牌号降低, 斜长石中的Ca流失, 由于Sr与Ca呈类质同象存在, 随着花岗岩中Ca的流失, Sr也随之降低。而Yb属于高场强元素, 典型的HREE, 性质比较稳定, 变化不大。因此, 如果新鲜的埃达克岩经历了强烈的蚀变作用也可能变为“喜马拉雅型花岗岩”。在矿区, 这种情况是可能发生的。低Sr低Y的喜马拉雅型花岗岩, 从定义上看(Sr/Y>15)就已经接近埃达克岩的Sr/Y比值了, 如果Y的含量稍低一点, 投在图1中, 岂不也变成埃达克岩了？
综上所述, Sr/Y图判断的除埃达克岩外, 还可能包括了许多低Sr低Y的喜马拉雅型花岗岩。因此, 图1显然是不合适、不科学的。
(3)图1是按照20年前的资料设计的, 现在国内外已经积累了越来越多的数据。按照目前认识, Y的含量还可以允许更高一些(如Y可达到25×10-6左右, 张旗等, 2008), Sr则可以降低一些(如300×10-6, 张旗等, 2008; Castillo, 2006, 2012)。于是, 图1的埃达克岩范围就不适应更多数据的情况了, 现在还用这个图是否已经过时了？
(4)Sr/Y的真谛？它的本质是什么？按照许多作者的解释(Defant and Drummond, 1990; Kay and Kay, 2002; Castillo, 2006, 2012), 花岗岩Sr含量多少主要与源岩部分熔融脱离源区之后留下的残留相变质岩中斜长石的含量有关, 残留相斜长石多, 则留在残留相斜长石的Sr含量就高, 进入花岗岩中的Sr含量就相应地减少了。相反, 如果残留相斜长石少, 留在残留相斜长石的Sr含量就很低; 如果残留相中无斜长石(例如榴辉岩), 则Sr几乎统统进入花岗岩, 花岗岩中的Sr含量就很高了, 就是完完全全的埃达克岩的特征了。
而Sr/Y比值中的Y(Yb)却主要与石榴石有关, 次要的有辉石和角闪石(Castillo, 2012), 与花岗岩脱离源区以后留下的残留相中有无石榴石以及石榴石数量多少有关。残留相如果是榴辉岩相, 石榴石是其重要的组成, 而石榴石包含了岩浆中绝大部分的Y和Yb, 于是, 与榴辉岩平衡的花岗岩中的Y和Yb的含量就很低了。如果残留相为角闪岩相, 由斜长石和角闪石组成, 没有石榴石, 则Y和Yb含量就很少, Y和Yb则大部分或全部进入花岗岩, 花岗岩就是富Y和Yb的。
需要强调指出, 在上述情况下, 花岗岩中的Sr和Y(Yb)以及Sr/Y比值只能解释为是受与其平衡的残留相变质岩的矿物组成以及矿物含量的制约。Sr的含量多少与残留相变质岩是否有斜长石以及斜长石的多少有关; Y(Yb)则与石榴石是否存在以及石榴石含量的多少有关。花岗岩的Sr/Y比值是可以变化的, 其变化是由残留相变质岩中的斜长石和石榴石共同影响的。但是, 斜长石和石榴石之间却不存在互相依存的相关关系。例如, 同样属于榴辉岩相的两种变质岩, 相互伴生, 但是原岩的物质组成不同: 一种变质岩可能偏中性一些, 变质矿物组成中有少量的斜长石存在, 石榴石是主要的但含量并不很高, 与其相应的花岗岩是埃达克岩, 但是, Sr/Y比值不可能很高。另一种变质岩偏基性, 无斜长石, 石榴石是大量的, 与其相应的花岗岩也是埃达克岩, 但是, 却有相当高的Sr/Y比值。
Sr/Y变化很大, 高Sr/Y的埃达克岩和低Sr/Y的埃达克岩有什么不同, 这是需要研究的(如He et al., 2011)。埃达克岩非常复杂, 高Sr/Y埃达克岩和低Sr/Y埃达克岩肯定存在某些差异, 可能反映在岩浆形成过程或岩浆源区组成以及岩浆形成的压力的不同上(Kamei et al., 2009; He et al., 2011)。但是, 假埃达克岩(pseudo-adakites)的提法笔者认为不妥。符合埃达克岩标准的是埃达克岩, 不符合埃达克岩标准的不是埃达克岩, 这是不容含糊的, 不存在似是而非的埃达克岩。Kamei et al. (2009)认为由岩浆混合作用、结晶分离作用以及在正常地壳厚度下由麻粒岩、TTG岩套部分熔融形成的埃达克岩具有假埃达克岩的特征。这种解释是值得商榷的, 实际上, 从文献提供的数据看, 假埃达克岩包括了一部分真的埃达克岩, 还包括了一部分非埃达克岩(主要是Sr含量偏低和Y及Yb含量偏高)。因此, 假埃达克岩的概念不宜提倡, 普通花岗岩(normal granitoids)的含义也是不清楚的。
(5)Sr/Y与Th/Ta等比值的区别。有人会问: 既然埃达克岩有元素含量作为标志, 为什么不能有比值标志呢？富Sr贫Y不是更清楚地反映了埃达克岩的特征吗？不错, 学术界喜欢比值甚过含量, 比值确实有无可代替的优点, 有些甚至反映了事物的本质特征。例如学术界最熟悉的玄武岩的Th/Ta比值, 当比值为1时, 指示洋中脊或洋岛环境; 如果Th/Ta比值很大, 则是岛弧的标志(Wood, 1980; Pearce et al., 1984)。因为, 地幔初始特征就是Th大体相当于Ta的, 由地幔部分熔融形成的玄武岩则继承了地幔源岩的这种特征, 故在洋中脊、洋岛环境, Th和Ta的含量大体相当。但是岛弧就不一样了, 岛弧由于有消减带带来的水, 水中含较多的LILE, Th属于LILE的一种, 故岛弧地幔源区由于有LILE的加入, 遂使部分熔融形成的岛弧玄武岩具有较高的Th/Ta比值(Pearce et al., 1984)。但是, 也别忘了, 在看重比值的同时, 还要看元素的含量。毕竟含量才是原始的, 比值是派生的。例如, 玄武岩的Th/Ta=1, 如果你不知道它们的含量, 你仍然不可能知道它是来自洋中脊或洋岛。如何判断呢？看元素含量: Th、Ta含量低的是MORB, 含量高的是OIB。何谓低和高？据统计, 一组样品的Ta含量如果小于0.5×10-6的是MORB, 1.0×10-6左右或更高的是OIB。同样, 如果有一组玄武岩的Th/Ta比值很大, 它有三种可能性: 1. 岛弧; 2. 陆缘弧; 3. 陆内。岛弧的Ta含量是各类玄武岩中最低的, 很少能够超过MORB的Ta含量。Ta含量较高的, 要么是陆缘弧, 要么是陆内, 究竟属于什么背景, 还需要考虑其他标志。因此, 不要以为有了比值就可以不管含量了。
Sr/Y与Th/Ta两个比值代表不同的概念: Th/Ta比值反映了岩浆的特点, 而Sr/Y虽然也是从岩浆的分析中得出的, 但却不代表岩浆自身的特点, 而是反映了岩浆部分熔融之后留下的变质岩残留相的组成特征。Th/Ta比值中的Th和Ta两个元素是具有相关关系的, 而Sr/Y比值中的Sr和Y就没有相关关系。
2 Sr和Yb含量是合适的埃达克岩的判别标志
鉴于Sr/Y比值存在天然的缺陷, 笔者坚持Defant and Drummond (1990)确定的元素含量的标志, 而不采用许多文献采用的Sr/Y比值的标志。笔者收集了全球8000多个花岗岩数据, 经过几轮的修改, 形成了以Sr-Yb为标志的埃达克岩判别图, 同时也是全球不同类型花岗岩的分类图(图2左), 不同类型花岗岩形成的大体P-T条件示意于图2右(张旗, 2014)。
图2 不同类型花岗岩判别图(左)和不同类型花岗岩形成的温度-压力条件(右)(张旗, 2014)
由于图1存在严重的缺陷, 在研究中使用图1得出的结论可能是对的, 也可能是错的。投在图1埃达克岩范围之内的不一定统统是埃达克岩, 而投在图1埃达克岩范围之外的也不一定不是埃达克岩(张旗等, 2008; 张旗, 2014)。可惜图1学术界一直在用, 以后也还会一直用下去。而采用图2得出的结果是可靠的, 基本上不会错, 可惜学术界很少使用。
应当强调的是: (1)图2适合全球全部花岗岩(SiO2>56%), 只需要Sr和Yb两个元素, 即可将全球花岗岩分为5类(张旗, 2014); (2)图2的界线是根据数据的自然聚集拟合的, 是近似可靠的, 不具有唯一性和绝对性。实际情况表明, 不同类型花岗岩之间存在相互交叉(过渡)的情况。因此, 图2适合一组或一套数据, 而非单个数据。一组数据只要大部分落入哪个区域, 即可确定为该类型花岗岩, 及含有其形成的大致压力的概念(图2右), 尽管还相当粗糙。
3 不同的比值含义不同
归纳一下岩浆岩中经常使用的各种比值:
(1)有确定因果关系的比值。这种比值最多, 也最为学术界所熟悉, 研究也比较详细, 如: Th/Ta、Rb/Sr、Ti/Zr、Ti/V、Ti/Y、La/Yb、La/Ta、Nb/Zr、Ce/Nb、Y/Nb、Yb/Ta等等, 它们的变化与源岩组成、部分熔融程度和方式、岩浆分离结晶、混染、混合、形成的构造背景等有关, 上述因素对不同的比值影响程度不同, 有些甚至可以作为标志性指标加以应用。
(2)基本上恒定不变的比值。这些比值代表了岩浆自身的特点, 不因岩浆演化、源区组成以及构造背景而改变或改变很少, 如Y/Yb=10、Nb/Ta=16、Zr/Hf=37等。
(3)受岩浆熔融后残留相制约的比值。如Sr/Y、Sr/Yb比值。它们主要受残留的变质岩组成制约, 而与岩浆演化、源区组成、构造背景基本上无关。其实, 与Sr、Y、Yb有关的比值不少, 如Rb/Sr、K/Sr、Ba/Sr、Ti/Y、La/Yb、Y/Nb、Yb/Ta等, 它们都属于上述第一类比值, 都与岩浆的形成、演化等因素有关, 分母和分子的元素之间存在因果关系。它们均不同于Sr/Y以及Sr/Yb关系, 能够解释Rb/Sr关系的方法不能用于解释Sr/Y关系。Sr/Y关系具有特殊性, 不同于它们与其他元素之间的关系。
(4)某些有意义的相关关系的比值。这些是大数据研究新发现的, 它们是否具有因果关系目前还不清楚, 但是, 却真实地反映了岩浆的某些特征。例如K/Cu、Na/Ga、Nb/Sc、Ba/Ga、Sc/Sr、Ga/Nb比值等, 主要与玄武岩的构造环境有关(张旗等, 2008), 而安山岩中的Ga/Cs、Ba/Nb、FeO/Ga、Eu/Pb、K/Nb、Ga/Cs、Mn/Pb、Cs/Nb等比值则反映了安山岩所处的不同的构造环境(刘欣雨等, 2019)。例如K/Cu比值, K是主元素(K2O), 同时也是典型的LILE, 而Cu是金属元素, 而且是亲铜元素。K与Cu之间能够存在什么因果关系？但是, 不可否认的是二者之间却存在一定的相关关系, 具有判别玄武岩构造背景的功能。
(5)其他比值。组成岩浆的元素很多, 它们可以任意组合, 构成各种各样的、除了上述4种比值以外的任意比值关系, 其中绝大多数可能是没有意义的或重复的, 但是也不排除今后可能从中挖掘出有价值的信息。
4 埃达克岩的争论主要是由对Sr/Y比值的认识不同而引发的
为什么学术界大多数人认为埃达克岩与压力无关, 认为埃达克岩可以受各种各样的因素制约, 可以有许许多多不同的成因, 如俯冲板片熔融(Kay and Kay, 2002)、拆沉的下地壳熔融(Xu et al., 2002)、有石榴石参与的高压分离结晶作用(Castillo, 2006; Macpherson et al., 2006; Gao et al., 2009)、在正常岛弧背景下角闪石的熔融(Richards and Kerrich, 2007)、同化-混染结晶(AFC)作用(Macpherson et al., 2006; Richards and Kerrich, 2007; 张超等, 2012; Li et al., 2013; Zhang et al., 2013; Ma et al., 2015)以及MASH作用(Richards and Kerrich, 2007)等等。究其原因, 他们都把Sr/Y比值当成了第一类比值关系, 认为可以随岩浆形成条件不同、岩浆演化不同、源区不同而达到产生具有高的Sr/Y比值的岩浆。于是, 埃达克岩的形成就与压力无关, 埃达克岩可以形成在高压条件, 也可以形成在非高压条件。上述见解, 归根结底, 是由于对Sr/Y比值的错误理解导致的。
反对的意见并不否认花岗岩形成过程的复杂性, 例如, 花岗岩可以经历结晶分离、混合、混染、交代作用, 也不论源区是富Sr还是贫Sr、地幔热状态如何、与地壳有没有发生过壳/幔相互作用等等。但是, 如果在高压条件下, 残留相必定是榴辉岩, 形成的中酸性岩必定是高Sr低Y的埃达克岩。相反, 如果在地壳减薄的地区, 则不论花岗岩是否经历过上述种种作用, 也不论源区Sr含量多少、地幔热状态如何、与地壳有没有发生过壳/幔相互作用等等, 所形成的花岗岩一定是A型的。因为, 这时的残留相为角闪岩相, 不可能有石榴石作为残留矿物, 相反会出现大量的斜长石, 故不可能有埃达克岩出现(张旗和焦守涛, 2020, 待刊)。
至于埃达克岩仅仅是一种特定成分的岩石, 还是有一定的成岩及相关成矿作用意义？这是一个需要认真研究的问题。本文主要讨论埃达克岩的Sr/Y比值, 主要涉及采用什么标准来识别埃达克岩的问题。而埃达克岩是否反映了一定的成岩作用以及埃达克岩与成矿的关系, 是学术界关心的, 是需要仔细探讨的, 且需要结合具体的埃达克岩实例进行研究。
5 结 论
学术界在如何看待Sr/Y比值上是有误区的, 埃达克岩问题国内学术界争论了20年, 基本上是围绕着Sr/Y比值展开的, 是对Sr/Y比值不同的理解导致的。
如何看待Sr/Y比值？学术界遭遇的第一个误区, 是把Sr/Y关系等同于Th/Ta、Rb/Sr、Ti/Zr、Ti/V、Ti/Y、La/Yb、La/Ta、Nb/Zr、Ce/Nb、Y/Nb、Yb/Ta等关系。认为Sr/Y与上述其他比值一样存在因果关系, 反映了岩浆自身的特征。它们的变化与源岩组成、部分熔融程度和方式、岩浆分离结晶、混染、混合、形成的构造背景等有关。因此, 高的Sr/Y可以出现在上述各种情况下, 埃达克岩的形成与压力无关。实际上Sr/Y不同于上述比值关系, 是一类特殊的比值, 其解释Kay and Kay (2002)、Defant and Drummond (1990) 已经说得明明白白, 而学术界却很少有人真正理解了。当然, 这种解释在微量元素地球化学研究中是很少见, 很奇葩的, 大家都不太习惯也可能是一个原因。
如何看待Sr/Y比值？学术界遭遇的第二个误区, 是把Sr/Y当成埃达克岩的判别标志, 如图1所示, 而图1却缺了一个Sr的含量标志。有人可能批评笔者: 有Sr含量的标志啊。例如, 投在图1上的一个数据点, 是知道其Y的含量的, Y乘以该数据点在图1中相应的Sr/Y比值不就是Sr了吗？对, 笔者认可这样的批评。为了知道Sr的含量, 需要做一个计算, 那图2更直观, 且没有歧义, 是否更合适呢？此外, 把Sr/Y>20的花岗岩统统当成埃达克岩, 也可能与学术界不了解地球上还有一类低Sr低Y类型的花岗岩有关。这个问题的由来在于图1的设计者的失误, 于是以讹传讹, 沿用了40年而没有改变！
Sr和Y(Yb)是埃达克岩最特征的元素, 它们不同于其他微量元素, 不能用解释其他微量元素的方法来解释埃达克岩的这两个元素。埃达克岩争论相持不下, 最重要的原因就在这里, 是没有搞清楚Sr/Y的含义。两种观点的分歧也主要集中在对Sr/Y的理解上: 前者认为该比值受岩浆特征、源区、及演化等种种因素的制约, 故与压力无关; 后者认为该比值仅与残留相变质岩的组成有关, 故与压力有关。
可见, 我们要弄清楚不同比值所具有的不同的含义, 不能把它们混淆了。学术界流行的或盛行的一些说法、标志、定律、共识、图件等等, 不一定都是有道理的, 多数人认可的并不一定是对的。对任何问题, 我们都需要思考, 思考之后再决定我们的行动。
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