Nb/U法判别花岗岩大地构造环境概述

王哲 钟文 唐运秀

摘要：花岗岩成因类型的不同代表了不同的构造活动带、不同的源岩及岩石形成作用过程的最终产物。在总结概括前人研究工作的基础上，论述花岗岩分类方法的不足，并尝试利用花岗岩的Nb/U比值判别花岗岩形成的构造环境。旨为以后判别花岗岩大地构造环境的研究奠定基础。

关键词：花岗岩；构造环境；Nb/U

花岗岩与大地构造环境之间存在着一定的成因联系，特征的花岗岩产在特定的构造环境中，不同构造环境产出的花岗岩不尽相同，可以利用花岗岩判别一定的构造环境。国内外针对花岗岩的研究已有大量研究成果[1-3]。自20世纪六七十年代以来，有关花岗岩的分类方案已有20多种，在当时都有一定的积极意义。特别是80年代总结提出的M-I-S-A字母分类方案，更是受到人们的青睐。

关于花岗岩类型分类的研究成果较多，但由于时代的局限性，每种分类方法都存在不足。至今，科研工作者还在研究花岗岩的分类。本文在总结概括前人研究工作的基础上，论述现有花岗岩分类特征及不足，给出新的分类方案；尝试利用花岗岩的Nb/U比值判别花岗岩形成的构造环境，并以例子证明Nb/U比值判别花岗岩形成的构造环境是否可行。

1. 研究方法概述

花岗岩分类方法的研究始于20世纪60年代。依据各花岗岩分类的依据和原则，花岗岩的分类主要有性质——矿物岩石地球化学分类、构造环境分类和综合分类三大分类方案。据花岗岩的源岩性质，研究者将花岗岩分为M-I-S-A。M型花岗岩的母岩浆可能直接来源于地幔或俯冲到大洋岛弧之下的洋壳，I型花岗岩主要发育在大洋——大陆板块碰撞边缘，S型花岗岩石大陆——大陆碰撞带或者是克拉通之上的韧性剪切带的产物，A型花岗岩在地盾区与裂谷作用有关的岩浆活动或造山带期后拉张环境下活动的产物[4]。

根据花岗岩的构造环境分为洋脊花岗岩（ORG）、火山弧花岗岩（VAR）、板内花岗岩（WPG）和碰撞花岗岩（COLG）四大类[5-6]。Barbarin在系统总结有关花岗岩质岩石分类特点的基础上，依据花岗岩质岩石的野外地质学、矿物组合、岩相学和岩石地球化学、地球动力学环境等特征，将花岗岩质岩石分为7种类型[7]。

其中，M-I-S-A法普遍受到研究者青睐。近几年的研究发现，M-I-S-A法对花岗岩的原始定义已不符合地质事实。如A型花岗岩原来的定义是碱性、无水、非造山环境形成的，但观察事实是A型花岗岩也可出现在造山环境中。另，M-I-S-A作为分类依据的参考因素有限，主要强调的是作为示踪的同位素的组成特征，不能全面解释花岗岩的复杂成因，也不能很好地区分不同类型的花岗岩。

以构造环境分类花岗岩的缺陷在于花岗岩的“构造环境”指的是大的地球动力学背景，如洋脊、岛弧和洋岛环境，裂谷环境等，而非具体的构造（变形）事件的力学环境，如“碰撞阶段”的挤压（逆冲、叠覆）构造作用和碰撞后阶段的伸展（拉张、走滑）构造作用。而以构造环境作为分类花岗岩的方案，将大的地球动力学背景和具体的构造（变形）事件混为一谈，并认为“碰撞”指的是两个分离的物体拼合在一起的过程，而不是强调物体内部相互挤压的过程。显然，以构造环境分类花岗岩存在不足。

前人尝试采用同位素比值法进行分类花岗岩，但主要采用Sr-Nd的初始同位素比值（87Sr/86Sr）i和（εNd）i以及稀土元素来示踪物质的来源。但是这些元素尤其是（87Sr/86Sr）i和（εNd）i的组成，一般比较稳定，很难受到后期岩浆活动等地质作用的影响，很难破坏其成分组成。因此在实际应用的时候，很难排除原岩（物源）的同位素或者化学成分组成对花岗岩的影响，容易形成误判，给实际应用带来不便。但是Nb和U的地球化学性质相对比较活泼，很容易受到后期岩浆活动等地质作用的影响，其对原岩（物源）的同位素或者化学成分组成的继承作用的影响可以消除。

Ian H.Campbell[8]根据壳幔演化过程中Nb、U的地球化学性质不同，在不同类型的地壳和地幔中的Nb/U值不同，测得原始地幔Nb/U=34（或30），现今洋壳的（残余地幔、MORB、OIB）的Nb/U=47，陆壳的Nb/U=10（或9.7）。花岗岩主要形成在地壳中（可有幔源的物质加入），因此可以尝试利用Nb/U比值来判别花岗岩形成的构造环境。

2. Nb和U比值法

在洋陆俯冲碰撞发生熔融的过程中，U和Nb由于具有不同的地球化学亲和性，U选择进入陆壳岩石圈而Nb则倾向于进入洋壳再返回到地幔中。降低进入陆壳岩石圈发生熔融的残余洋壳物质的Nb/U值（接近于陆壳的值，但应高于陆壳的值10），随着陆壳物质的加入和U、Nb的不同亲和性，会使Nb/U值降低，花岗岩的Nb/U值应>10；而在陆陆碰撞形成花岗岩的过程中，由于碰撞的两侧地体性质几乎一致，Nb/U不会有太大变化，但Nb/U<10。下面以例子证明这一推论：

郭亮[9]将东构造结西缘南拉萨地块的构造演化分为165Ma～80Ma、80Ma～68、68Ma～40Ma和30Ma～22Ma四个阶段。在165Ma～80Ma，新特提斯洋已经开始向北俯冲于南拉萨地块之下；新特提斯洋中脊在80Ma开始进入俯冲带；在65Ma～55Ma时，印度板块与欧亚板块发生碰撞，印度板块俯冲于拉萨地块之下。可知东喜马拉雅构造结西缘南拉萨地块的花岗岩，在65Ma前为洋陆俯冲碰撞形成的花岗岩属于洋陆碰撞环境，在此之后形成的花岗岩属于陆陆碰撞环境。样品的分析数据（见表1）

由于U和Nb不同的地球化学亲和性及陆壳的Nb/U=10，陆壳物质会对样品T670和T701产生影响，可造成样品Nb和U的增加或减少，使Nb/U值出现小于10的情况（分别为7.1和5.6）。样品T671和T673在没有证据表明受后期地质作用影响的情况下，其Nb/U值>10，符合“洋陆碰撞环境下形成的花岗岩的Nb/U>10”的推论。

对于陆陆碰撞环境下形成的花岗岩样品（T656、T529=4.72、T774、T775-1、T775-2、T777和T932=3.8）来说，同样存在后期的地质作用的影响，同样会有Nb和U的增加或减少。陆壳Nb/U=10（或9.7），样品在陆壳受到后期地质作用的影响，其Nb/U也<10。在这种情况下无法区分样品形成洋陆碰撞环境是受到地质作用的影响还是样品本身是陆陆碰撞环境。为了很好地利用Nb/U值来区分洋陆碰撞环境和陆陆碰撞环境下形成的花岗岩，必须使用未受后期地质作用影响的花岗岩样品来分析。

3. 结论

（1）花岗岩的Nb/U比值可以用来判别其构造环境，特别是对洋陆碰撞和陆陆碰撞作用形成的花岗岩。洋陆碰撞形成的花岗岩Nb/U应该大于陆陆碰撞形成的花岗岩的Nb/U值，且洋陆碰撞环境下形成的花岗岩的Nb/U>10，而陆陆碰撞环境下形成的花岗岩Nb/U<10。

（2）对于岛弧花岗岩，由于其复杂的构造环境和形成作用，很难用某一对元素或同位素来判别其形成的构造环境，需要同时结合多对元素或同位素，或者利用多种方法手段来综合判别。

参考文献：

[1] 蔡青龙，郑志文，何俊.西藏冈底斯西部地区花岗岩锆石U-Pb年龄及其地质意义[J].东华理工大学学报（自然科学版），2015，38（1）：49-57.

[2] 杨春鹏，夏菲，潘家永，等.江西修水莲花芯铜钼多金属矿床花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及其地质意义[J].东华理工大学学报（自然科学版），2014，37（2）：192-198.

[3] 肖爱芳，黎敦朋.福建省紫金山复式花岗岩锆石LA-ICP-MSU-Pb测年[J].东华理工大学学报（自然科学版），2012，35（4）：343-351.

[4] 马鸿文.花岗岩成因类型的判别分析[J].岩石学报，1992，8（4）：341-350.

[5] 陈士海，王斌，张健仁，等.班公湖-怒江成矿带西段弗野花岗岩体的岩石地球化学特征及年代学研究[J].东华理工大学学报（自然科学版），2014，37（1）：37-44.

[6] 吕科，王勇，肖剑.西华山复式花岗岩株地球化学特征及构造环境探讨[J].东华理工大学学报（自然科学版），2011，34（2）：117-128.

[7] Barbarin B. A review of the relationships between granitoid types，their origins and their geodynamic environments[J]. Lithos， 1999，46：605-625.

[8] Ian H. Campbell，Constraints on continental growth models fromNb/U ratios in the 3.5 Ga Barberton and other Archaean basaltkomatiite suites， AJS Online April 2003 vol. 303 no. 4319-4351.

[9] 郭亮.喜马拉雅构造结西缘构造——岩浆事件及其地球动力学意义[D].中国地质大学，2012.