Sr和Yb兩個元素對花崗巖理論的重要意義——花崗巖研究的哲學思考

發布時間：2021-04-25所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1180次

摘 要： 摘要：花崗巖研究已有幾百年的歷史，可是花崗巖卻沒有形成自己獨立的理論體系，也沒有系統的花崗巖分類。花崗巖非常復雜，如何化繁為簡，歸納出花崗巖最本質、最核心、最關鍵的標志，是一個非常棘手的任務。本文從哲學的角度出發，發現Sr和Yb可能是兩個具有

　　摘要：花崗巖研究已有幾百年的歷史，可是花崗巖卻沒有形成自己獨立的理論體系，也沒有系統的花崗巖分類�；◢弾r非常復雜，如何化繁為簡，歸納出花崗巖最本質、最核心、最關鍵的標志，是一個非常棘手的任務。本文從哲學的角度出發，發現Sr和Yb可能是兩個具有特殊含義的元素，特殊在于，它們不僅具有一般微量元素的特點，還具有特殊的功能，關鍵是它們的行為與花崗巖部分熔融后殘留的變質礦物組成(如石榴石、斜長石等)有關�？赡苷怯捎谶@個因素，才使Sr和Yb具有其他微量元素所不可匹敵的功能。本文按照Sr、Yb的排列組合提出了一個系統的花崗巖分類。對于花崗巖的地球動力學意義，學術界一直有爭論，本文認為板塊構造只能影響到大陸邊緣，影響不到大陸內部。大陸演化研究最重要的任務是恢復大陸地質歷史上的變化，如大陸地質演化不同時期曾經發生過的伸展和擠壓(有的還有旋轉，是擠壓的副產品)、抬升和垮塌、造山與盆地、加厚與減薄等。如何識別上述變化及其過程，目前在方法學上還十分困難。依靠Sr、Yb及其與殘留相平衡的理論則提出了一個方案，能夠解決或大體解決上述問題。例如，埃達克巖(高Sr低Yb)代表加厚地殼，南嶺型(非常低Sr高Yb)代表減薄地殼，浙閩型(低Sr高Yb)和廣西型(高Sr高Yb)代表正常厚度的地殼，喜馬拉雅型花崗巖(低Sr低Yb)代表中壓與高壓過渡的狀況。因此，按照Sr和Yb的變化，即可大致恢復地質歷史時期大陸地殼溫壓條件的變化，推測大陸地貌的變化(平原、丘陵、高原、山脈)，探討構造應力的變化(擠壓導致加厚，伸展導致減薄)等。此外，不同類型花崗巖還與成礦有關，大體是：埃達克巖與金銅有關，南嶺型與鎢錫有關，喜馬拉雅型與金有關，而浙閩型、廣西型基本上是不利于成礦的。但是，實踐中也有金銅鎢錫在空間上共生的實例，則金銅與鎢錫可能成因上或成礦時代上或控礦因素上有所不同。問題還很復雜，還有許多現象很難解釋，筆者只是從宏觀角度給出了一個思路，一個概念，很多細節并不清楚。研究表明，科學與哲學是密切相關的，哲學是科學的高度概括。本文嘗試從哲學的角度對紛繁復雜的花崗巖進行歸納和簡化，只是一個初步的嘗試，還有更多問題需要認真研究。

　　關鍵詞：Sr;Yb;花崗巖;理論;哲學;分類;壓力;溫度;地球化學;地球動力學意義

　　花崗巖研究已有幾百年的歷史了，可是花崗巖卻沒有形成自己獨立的理論體系，也沒有一個系統的花崗巖分類�；◢弾r目前的理論基本上是沿襲了玄武巖的理論[1-2](張旗等，2008;張旗和李承東，2012)�；◢弾r非常復雜，比玄武巖復雜不知多少倍。如何提綱挈領地抓住花崗巖的核心問題和關鍵所在，是一個非常困難的問題。

　　什么是花崗巖?花崗巖屬于火成巖，一般認為，凡是火成的、SiO2>56%的侵入巖和噴出巖都屬于花崗巖類。仔細區分，其中還包括一部分閃長巖(安山巖)。花崗巖類非常復雜，各種各樣花崗巖的術語有近百種，如淡色花崗巖、奧長環斑花崗巖、文象花崗巖、晶洞花崗巖、鈉閃花崗巖、花斑巖、白崗巖、玻蘇英安巖、長英斑巖、電英巖、多霞鈉長巖、方沸閃長巖、方鈉閃長巖、霏細巖、副長石閃長巖、球狀花崗巖、碎斑花崗巖、堆晶花崗巖、翁崗巖、紫蘇花崗巖等等(以上大部分引自LeMaitre，1989)，還不包括噴出巖。目前可以用儀器檢出的元素也有幾十項，如果加上各種同位素就更多了。那么，如此紛繁復雜的花崗巖的核心是什么呢?能否用最簡單的語言加以概括呢?這應當是一個哲學命題了。筆者10年前曾就花崗巖與哲學的關系作過一些思考(見巖石學報網站：http：//www.ysxb.ac.cn/ysxb/ch/index.aspx2010)，思考的出發點是對花崗巖現有理論的質疑以及學術界對花崗巖理論的諸多爭論，目的是嘗試能否從哲學角度找到出路。

　　哲學與地質有點淵源可能很多人不知道，但是大家一定知道18世紀爆發的一場“水火之爭”。水成論者認為地質變化的原因是水的作用，所有巖石都是水成巖;火成論派則認為地質的變化都是火山的作用，所有的巖石都是火成巖。講水的排斥火，講火的排斥水，水火之爭愈演愈烈。據載有一次兩派相約在英國愛丁堡附近的一個山丘下集會，因為對這里地層結構的成因各有不同的看法，遂展開了一場學術大辯論，從爭論發展到相互指責、對罵，最后竟然發展到拳打腳踢，演出了近代科學史上別開生面的一場鬧劇，可謂水火誓不兩立了。

　　當時德國著名的哲學家黑格爾關注過這場爭論，他在1817年出版的《自然哲學》中說：“這兩種原理都必須承認為本質的，但它們各自都有片面性”。當時，在地質學界看來是水火不相容的事情，在哲學家看來則相反。隨著地質研究的深入，進一步驗證了黑格爾的觀點是正確的，雖然黑格爾并沒有進行過任何這方面的地質考察。他是以一個哲學家的眼光進行思考的結果(王恒富，2010)。

　　科學(Science)是什么?科學這個術語的最初的直觀含義就是分門別類，于是，科學就越分越細，科學就越來越復雜。實際上，把簡單變為復雜并不難，難的是從復雜到簡單。不應當把哲學和科學割裂開來，科學只是認識真理的一種工具�？茖W需要哲學，雖然哲學不能對具體科學有所幫助，但是，它提供的思維方式可以使科學少走彎路。哲學是科學的高度概括，概括的越簡單越精髓。無論從什么角度，哲學(包括邏輯學)對于科學是絕對有益的�？上Т蠖鄶笛芯靠茖W的人缺了這一課，包括筆者在內。

　　一個事物存在各種各樣的矛盾關系，矛盾的種類很多，有大有小，有輕有重，其中的主要矛盾往往決定了事物的主要特征。一般來說，抓住了主要矛盾，就抓住了事物的牛鼻子，就可以比較清晰地了解事物的本來面目。那么，花崗巖中有哪些矛盾呢?應當很多，如幔源與殼源、富鉀與貧鉀、富硅與貧硅、富鋁與貧鋁、富鐵與貧鐵、富堿與貧堿、富水與貧水、拉斑與鈣堿性、高溫與低溫、高壓與低壓、熔體與流體、高Sr與低Sr、高Yb與低Yb、I型與S型、富集與虧損、伸展與擠壓、加厚與減薄、碰撞前與碰撞后、混合與混染、結晶與熔融，以及不同的REE分布、不同的微量元素分布、正銪異常與負銪異常、LILE與HFSE等等，可以羅列很多。但是，其中哪些是具有全局性意義的呢?經過10年的思考，筆者認為，從地球化學角度，花崗巖幾十種微量元素中，大概以Sr和Yb兩個元素最重要，抓住這兩個元素，花崗巖的許多基本問題大概就可以得到或大部分得到解決了。例如，花崗巖分類的問題、花崗巖形成的壓力問題、花崗巖與成礦的關系問題、花崗巖的地球動力學問題等等。

　　1花崗巖研究的幾個關鍵問題

　　在花崗巖研究中，人們最想知道的是：它來自哪里?在什么條件下形成?有什么用?前面已經羅列了花崗巖研究中存在的一系列問題，下面簡要討論其中的幾個關鍵問題。

　　1.1玄武巖的理論是什么

　　前面說花崗巖是套用了玄武巖的理論，那首先來了解一下玄武巖的理論是什么?

　　(1)玄武巖來自哪里?玄武巖來自地幔，是地幔部分熔融形成的。這是眾所周知的，無需進一步說明。

　　(2)玄武巖的核心問題是什么?是巖漿分離結晶的理論[5-9](Bowen，1928;Carmichaeletal.，1974;Wilson，1989;BestandChristiansen，2001;都城秋穗和久城育夫，1984)。地幔部分熔融的玄武巖應當是具有原始巖漿特點的，可是，人們所見到的玄武巖幾乎很少是原始巖漿成分的，暗示巖漿一定發生了變化或演化。例如MORB，MORB幾乎很少是原始巖漿的，更有甚者，OIB幾乎統統是經過演化的，世界上幾乎見不到OIB的原始巖漿[6-11](Carmichaeletal.，1974;Wilson，1989;BestandChristiansen，2001;Pearceetal.，1984;張旗和周國慶，2001)。因此，巖漿演化即是玄武巖最重要、最核心的理論，包括巖漿分離結晶的理論、巖漿混合、巖漿混染、交代的理論等等[6-8，12-14](WagerandBrown，1968;Carmichaeletal.，1974;Coxetal.，1979;Wilson，1989;CoffinandEldholm，1994;BestandChristiansen，2001)。

　　(3)玄武巖理論來自哪里?主要來自對大火成巖省的研究，例如，上個世紀50~60年代對格陵蘭Skaergaard和南非Bushiveld等大型層狀侵入體的組成、成分、層序及其變化的研究[6-7，12](WagerandBrown，1968;Carmichaeletal.，1974;Wilson，1989)。玄武巖結晶分離的理論并非來自對玄武巖巖漿本身，而是來自對堆晶巖層序變化規律的研究總結出來的[1，6](WagerandBrown，1968;張旗等，2008)。

　　(4)玄武巖的地球動力學意義是什么?是構造環境。這是Pearce等學者在上個世紀70～80年代確立的[10，15-20](PearceandCann，1973;Glassley，1974;PearceandNorry，1979;Capedrietal.，1980;Wood，1980;Mullen，1983;Pearceetal.，1984)。因為，全球玄武巖主要來自板塊擴張脊、島弧和板內這三個大的構造背景。玄武巖的研究很大一部分是圍繞這個題目來進行的，并且按照將今論古的原則將其推進到中生代、古生代、元古宙甚至太古宙[1-2]。

　　如果我們承認上面的見解是合適的，那么，花崗巖套用玄武巖的理論有什么基礎呢?幾乎沒有。(1)玄武巖來自地幔，花崗巖來自地殼，玄武巖與花崗巖從根本上就不同。(2)玄武巖是巖漿，玄武巖有巖漿房;花崗巖是巖漿，花崗巖也有巖漿房，這沒有問題。問題是二者的粘性不同，玄武巖貧硅，粘性低，在巖漿房內可以發生分離結晶作用，形成一系列的堆晶巖及殘余巖漿(演化的巖漿)�；◢弾r富硅，粘性高，在巖漿房內幾乎不可能發生分離結晶作用。玄武巖有原始巖漿，花崗巖有嗎?玄武巖有堆晶巖，花崗巖有嗎?玄武巖有與堆晶巖匹配的殘余巖漿，花崗巖的殘余巖漿是什么，在哪里?(3)玄武巖的地球動力學意義是構造環境;花崗巖主要來自大陸，大陸已經屬于板內環境了，那么，大陸花崗巖的地球動力學意義又是什么呢?[1-2]

　　1.2花崗巖形成過程中“水”重要還是“熱”重要

　　(1)花崗巖形成過程中“水”的作用

　　水在花崗巖形成過程中起什么作用?起多大作用?Arndt(2013)指出[21]，水是形成大量花崗質熔體的必要條件。CampbellandTaylor(1983)[22]則強調，“NoWater，NoGranite(無水即無花崗巖)”，把水對花崗巖的作用提高到無以復加的地步，是合適還是不合適呢?

　　水存在于所有巖漿和地幔巖石中，并且在大部分陸殼巖漿產生中扮演了重要角色[23](續海金和馬昌前，2003)。邵同賓等(2011)指出[24]，水的加入不僅可以有效地降低巖石的固相線(熔點)和熔體的粘度，而且會減弱硅酸鹽礦物的Si-O鍵，引起水致弱化作用。研究表明，在花崗巖實驗中只要加進2%的水，即可明顯改變花崗巖的黏性，使黏性降低一半。而根據Baker(1998)[25]的研究，在800℃條件下往鋁質花崗巖熔體中加入2%的水即可使其黏性下降6個數量級。但是，筆者認為，許多實驗設定的在飽和水或水含量>2%~5%的情況下得到的實驗結果，與真實的下地殼情況相去甚遠，是需要慎重對待的[26-27](張旗，2014a，b)。

　　大陸下地殼總體上是貧水的，主要以自由水和結構水兩種狀態存在[28](張超等，2012)。大陸下地殼的自由水在分布范圍和數量上非常有限的[29](Wannamaker，2000)。對于下地殼部分熔融而言，微量自由水的影響是可以忽略不計的[30](ClemensandVielzeuf，1987)。角閃石是基性下地殼中最重要的含水礦物，存在廣泛的壓力和溫度區間(p<2.6GPa，t<1000℃，VielzeufandSchmidt，2001)，伴隨角閃石脫水的變質基性巖在缺乏流體相條件下的熔融是下地殼最重要的熔融方式之一。被用來進行脫水熔融實驗的角閃巖樣品(或者蝕變玄武巖)無論其原巖是堿性玄武巖還是拉斑玄武巖，實際礦物組合中角閃石的含量為45%~76%。假設角閃石含水為2%，由角閃石實際含量計算得到的全巖水含量在0.9%~1.5%之間[28](張超等，2012)。楊曉松等(2001)[31]指出，在地殼深部存在大量自由水的可能性很小，因此巖石脫水熔融(dehydrationmelting)或稱為缺水熔融(vapor-absentmelting)可能是地殼深熔的主要機制[32](張旗，2015)。

　　相關期刊推薦：《甘肅地質》是由甘肅省地礦局、甘肅省地質學會共同主辦的國內外公開發行的綜合性地球科學學術刊物。主要報道地質科學及其相關領域的基礎性、前瞻性和創新性研究成果，介紹地質大調查過程中重大課題的階段成果。設有：綜合評述、基礎地質、礦產地質、能源地質、巖石礦物、地球化學、環境地質、農業地質、項目動態、簡訊、鄰區地質、技術方法等欄目。

　　礦床學教科書估計的花崗巖(漿)平均含水量是3%，巖石學教科書估計的是2%，有人估計可能還要高(2%~6%，Holtzetal.，2001)，當壓力達到500MPa時，水在巖漿中的溶解度就超過10%;而當壓力為1000MPa時，水在花崗質巖漿中的溶解度可以達到20%(華仁民和王登紅[33]，2012及其所附的參考文獻)。而筆者估計一般不超過1%(張旗，2015)。筆者認為，花崗巖中的水是很少的，這不足1%的還不是游離水(自由水)，而是以結構水的形式存在。水一旦進入晶格，即不可能在降溫過程中被“溶解”出來[32](張旗，2015)。許多火山噴發物含有大量的水汽，在現代火山區或熄滅不久的火山區還有大規模的水熱活動。這并不表明巖漿含水是豐富的，因為，上述火山噴發帶來的水大部分是外生水，只有少量是來源于深部的[34](沈照理和許紹悼，1985)。劉勇勝和高山[35](1998)指出，地殼巖石深熔主要發生在缺流體相條件下[36-38](RutterandWyllie，1988;Thompsonetal.，1995;Harrisetal.，1995)，這可能是大多數花崗質巖漿產生的主要原因[32](張旗，2015)。

　　(2)花崗巖形成過程中熱的作用

　　上述研究表明，花崗巖形成第一需要的不是水而是熱。通常把一次花崗巖侵入過程說成是一次熱事件，就是對這個作用的最好的表述。地殼隨深度增加，按正常的地熱增溫率計算，地殼厚度即使達到50～60km，也不足以達到使花崗巖達到部分熔融的溫度(700℃~900℃)。因此，下地殼熔融需要有來自地幔的熱的供給才行[1-2](張旗等，2008;張旗和李承東，2012)。地幔的熱可能有兩個來源：一個是板塊俯沖使地幔楔發生部分熔融形成的玄武巖上升至島弧或陸緣弧底部，加熱下地殼使之達到可以部分熔融的程度。另一個是來自地幔深部的熱以軟流圈地幔上涌或底辟的形式加熱下地殼底部導致部分熔融形成花崗巖。除此之外，沒有其他熱的來源。教科書有一種見解，認為玄武巖巖漿上升到地殼中部(或內部)也可使地殼發生部分熔融形成花崗巖，這是不可能的。因為玄武巖帶來的熱不可能保持很長的時間，野外天然實驗室也沒有這樣的實例[1-2，32](張旗等，2008;張旗和李承東，2012;張旗，2015)�；◢弾r熔融的源區只可能在下地殼底部，不可能在地殼內部。這個結論也說明，所謂的碰撞花崗巖也是不可能的，碰撞是剛性地塊相互之間的作用，主要發生在地殼淺部，而花崗巖的熱來源于地幔深部。淺部地殼碰撞引發的作用不可能傳遞到地殼深部，更不可能波及到地幔深部。此外，碰撞導致的地殼摩擦產生的熱非常局限，時間非常短暫，也不可能導致地殼熔融生成花崗巖。因此，碰撞產生花崗巖不過是一種臆想。有人還認為，地殼減薄導致地幔抬升可能導致下地殼底部被加熱，這也是不可能的。因為下地殼底部是巖石圈地幔，相當于軟流圈地幔來說是冷的、剛性的、輕的。只有軟流圈地幔上涌，穿過巖石圈地幔，直接與地殼接觸才能使下地殼發生部分熔融。因此，地殼表層或淺部或內部發生的任何構造、變動，均與花崗巖的形成無關。一切巖漿活動，包括基性的和酸性的巖漿活動，完全是地幔內部事件的結果，與地殼的活動無關。

　　看來，Campbell的那句話應當修改一下，改成：Nohot，NoGranite[22]。有沒有花崗巖，取決于有沒有足夠的熱，而且這個熱只可能來自地幔，水是無關緊要的，花崗巖熔融基本上是在缺水的條件下實現的。實驗室可以任意加水，野外有野外的規律，在天然實驗室條件下任意加水是完全不可能的。

　　由于花崗巖形成需要足夠的持續的熱的供給，故花崗巖熔融最可能的部位在下地殼底部，這里最貼近地幔。地殼內部即使有幔源巖漿貫入，也不可能產生花崗巖[32，39](張旗，2015;張旗和焦守濤，2020)。所以，教科書的這個說法是沒有依據的。

　　地幔的熱有兩個來源：一個是板塊俯沖導致地幔發生部分熔融帶來的熱，通常發生在板塊的匯聚邊緣;另一個則來自地幔深部，類似地幔熱點模式，發生在大陸內部。在板塊內部，軟流圈地幔上涌是隨機的，就像熱點的分布是隨機的一樣，目前人們還無法了解下地幔的熱是怎么產生和熱從哪里上升的機制。

　　1.3花崗巖形成的源區問題

　　花崗巖是下地殼部分熔融形成的，花崗巖基本上不可能是地幔部分熔融形成的。地幔部分熔融一般形成玄武巖類。最近的大數據研究表明，玄武巖與安山巖的分界線可能不是早先確定的SiO2=52%，而應當是SiO2=55%[40](張旗等，2019)。地幔在什么情況下可以形成富硅的巖漿?大抵有兩種：(1)地幔加水的情況下可以形成富硅的巖漿，如安山巖，高鎂安山巖(包括贊岐巖、玻安巖)等;(2)玄武巖分離結晶形成安山玄武巖和安山巖。因此，不排除有部分基性巖的SiO2含量可以超過56%。野外出露的這些巖石，大多與玄武巖類(輝長巖類)伴生，雖然其SiO2含量超過了56%，依然屬于幔源巖漿而非殼源巖漿，不是本文考慮的范圍。本文只討論殼源巖漿。

　　地殼非常復雜，地殼可以簡單的區分為陸殼和洋殼。洋殼處于洋盆內，洋殼的組成主要是玄武質的，島弧基底一般也是玄武巖成分的變質巖。因此，洋殼部分熔融形成的花崗巖顯然具有明顯的地幔同位素印記，而這并不表明花崗巖就是幔源的。陸殼處于大陸，成分五花八門，什么情況都可能出現。陸殼有多復雜，你拿一份地質圖(1∶20萬或1∶50萬均可)看看就明白了，一份地質圖，有不同時代的地質體，不同成分的巖石，不同的構造背景等。地質圖有多復雜，下地殼底部就可能有多復雜，不同的只是統統是變質巖而已，各種巖石均相對缺水而已。在極端的情況下，陸殼下地殼的一端是典型的沉積巖如泥巖、砂巖、碳酸鹽巖等，另一端是基性—超基性巖，有的實際上就是合并入陸殼的洋殼。因此，大陸下地殼部分熔融形成的花崗巖就可能具有各種各樣的成分，從Nd、Hf同位素上看，既有典型陸源的，也有典型幔源的。一個有一定規模的花崗巖來源于一個單一源區的可能性幾乎沒有。其實，所謂的幔源，并非直接來自于地幔，而是地幔部分熔融形成的巖漿直接貼近到地殼底部，成為地殼組成的一員。由這樣的地殼部分熔融形成的花崗巖當然具有幔源的特征。此外，島弧環境下形成的雜砂巖，也是典型幔源的。——論文作者：張旗1，2，焦守濤3，4，劉惠云1，2

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