Geology：花岗质熔体结晶过程中锂硼同位素不均匀性演化的地球化学意义

锂和硼是流体活动性元素，也是不相容元素，在高温岩浆系统中分馏较小。虽然岩石内不同矿物间或者矿物颗粒内部的δ⁷Li和δ¹¹B可发生较大变化，但是不同类型花岗岩以及同一侵入体内不同演化程度花岗岩的δ⁷Li和δ¹¹B变化很小，这是因为大尺度的样本会平均小规模的不均匀性，引起小规模不均匀性的地质过程可能对大尺度的样本没有影响。对于不同规模尺度（从矿物颗粒内部到不同岩性分带规模）的δ⁷Li和δ¹¹B变化，目前有多种不同的解释。

最近，中国地质大学（武汉）资源学院和紧缺战略矿产资源省部共建协同创新中心及地质过程与矿产资源国家重点实验室蒋少涌教授团队的博士生雷秀芳，与德国地学研究中心Rolf L. Romer教授等合作，选取我国南秦岭地区早中生代的华阳-五龙岩体中的懒板凳黑云母花岗岩和二云母花岗岩为研究对象，挑选花岗岩内主要的造岩矿物白云母、黑云母、长石-石英、以及全岩粉末，进行Li和B同位素分析，探讨这些矿物间δ⁷Li和δ¹¹B的系统性变化及其所代表的地球化学意义。

白云母和黑云母是所研究花岗岩内主要的含Li矿物，通过质量平衡计算发现，在黑云母花岗岩中，黑云母的Li含量对全岩Li总量的贡献最大，约76% – 88%，白云母的Li含量占全岩Li总量的6% – 17%，黑云母和白云母的δ⁷Li值分别为0.0‰ – 1.5‰，和-1.9‰ – -0.2‰。在二云母花岗岩中，黑云母和白云母占全岩Li总量的比例分别为51%和45%，黑云母和白云母的δ⁷Li值分别为3.4‰和1.1‰。由于黑云母占全岩Li总量的比例最高，全岩的δ⁷Li值与黑云母的δ⁷Li值很接近。在黑云母花岗岩和二云母花岗岩中，长石-石英混合样的δ⁷Li值分别为6.3‰ – 9.6‰和6.7‰（图1）。

白云母是所研究花岗岩内B含量最高的矿物，质量平衡计算表明长石-石英混合样在黑云母花岗岩的B总量中占主导地位，而在二云母花岗岩中，白云母和长石-石英混合样对全岩B总量的贡献都很大。在黑云母花岗岩中，黑云母和白云母的δ¹¹B值分别为-12.7‰ – -9.6‰，和-18.2‰ – -17.6‰；在二云母花岗岩中，黑云母和白云母的δ¹¹B值分别为-12.0‰和-19.8‰。在黑云母花岗岩内，长石-石英混合样的δ¹¹B值为-13.1‰ – -9.6‰；在二云母花岗岩中，长石-石英混合样的δ¹¹B值为-12.6‰。在所有花岗岩中，长石-石英混合样的δ¹¹B值均与同一花岗岩内黑云母的δ¹¹B值比较相近（图1）。

图1 黑云母、白云母、长石-石英混合样、花岗岩全岩的δ⁷Li和δ¹¹B值

矿物和流体之间的Li和B同位素分馏取决于温度和配位数，而Li和B在白云母和黑云母的结构式中有相同的配位数，因此从同一熔体中同时结晶出来的白云母和黑云母应该有相似的Li和B同位素值。然而，我们的研究结果显示同一花岗岩内白云母的δ⁷Li比黑云母的低1.7‰ – 2.3‰，δ¹¹B比黑云母的低5.6‰ – 8.0‰（图1），通过瑞利分馏模型可知，在黑云母结晶前已有45% – 55%的Li和65% – 80%的B从熔体中抽离了（图2）。黑云母和白云母间δ¹¹B差异大于δ⁷Li差异，反应了黑云母（白云母）和熔体之间的B同位素分馏系数（5‰）大于Li同位素分馏系数（3‰）。瑞利分馏模型（图2）表明：在岩浆矿物的结晶过程中，残余熔体的δ⁷Li和δ¹¹B不断增大，大量Li和B进入岩浆矿物后，晚期熔体和出溶流体的δ⁷Li和δ¹¹B明显高于早期熔体和早结晶的矿物，晚结晶的黑云母也比早结晶的白云母有更高的δ⁷Li和δ¹¹B。在封闭系统内，岩浆矿物结晶时，全岩的δ⁷Li和δ¹¹B始终与原始熔体的组分保持一致。在开放系统中，晚期熔体和出溶流体的损失会造成残留体的δ⁷Li和δ¹¹B比原始熔体低，而晚期熔体和出溶流体比原始熔体有更高的δ⁷Li和δ¹¹B值，且δ⁷Li和δ¹¹B偏移量的大小取决于同位素分馏系数和矿物结晶过程中从熔体中抽取的Li和B比例。此外，在开放系统中，岩浆矿物的δ⁷Li和δ¹¹B也会对晚期流体与花岗岩的相互作用产生影响，花岗岩的δ⁷Li和δ¹¹B会由于岩浆矿物黑云母、白云母、长石-石英的蚀变而发生改变，岩浆矿物的蚀变会释放Li和B，被释放的Li和B可能进入次生矿物，也可能进入流体中；当进入流体时蚀变岩的δ⁷Li和δ¹¹B会发生改变，且改变的程度取决于蚀变矿物的种类以及蚀变过程中损失的Li和B在全岩中所占的比例。因此，在开放系统中，晚期岩浆流体引起的矿物的选择性蚀变会掩盖流体的来源，流体的δ⁷Li和δ¹¹B反应了蚀变矿物的成分，而不是岩石的成分。

图2 瑞利分馏过程中熔体Li和B同位素的变化

本次研究揭示了：（1）晚期熔体和岩浆流体不能反应其早期熔体的成分；（2）在岩浆演化持续时间长的过程中结晶的矿物，单个颗粒内部可能会出现从核部到边部的Li和B同位素分带现象；（3）晚期岩浆流体引起的矿物选择性蚀变会掩盖流体的来源，这种情况下流体的Li和B同位素反应了蚀变矿物的同位素成分，而不是岩石的同位素成分。

研究成果于近期发表在国际地学领域重要期刊Geology上，论文第一作者为中国地质大学（武汉）的博士研究生雷秀芳，通讯作者为蒋少涌教授。

论文信息：

Lei, X.F., Romer, R.L., Johannes, G., Jiang S.Y.*, 2023. Geochemical significance of lithium and boron isotopic heterogeneity evolving during the crystallization of granitic melt. Geology. https://doi.org/10.1130/G50983.1.