最近，我会第四期“青托”人才高彭及其研究团队，在Chemical Geology上发文，报道了他们对花岗岩结晶晚期Hf同位素均一化的最新研究成果。

锆石的Hf同位素组成对花岗岩的成因以及大陆地壳演化有着重要意义。然而，目前对于岩浆演化过程中锆石Hf同位素组成的变化，尤其是结晶晚期Hf同位素组成是否会均一化的研究还比较少。但这一研究对于理解花岗岩中锆石Hf同位素组成的控制机制，以及评估花岗岩中锆石的Hf同位素组成何时能够反映其源岩的组成至关重要。针对这一问题，中山大学高彭副教授研究团队系统汇编了华南陆块二叠纪-三叠纪花岗岩中的锆石U-Pb年龄、Th-U含量和Lu-Hf同位素组成。结果表明，在岩浆结晶早期生长的锆石具有较大的Hf同位素组成变化，而晚期生长的锆石具有相对均匀的Hf同位素组成，可能是由岩浆混合均一化所致。这项研究指示，在使用锆石Hf同位素进行岩石成因研究时，需要选择U含量具有较大变化范围的锆石进行分析，以评估岩浆及其来源的不均一性，从而确保获得完整的岩浆结晶历史。

在二叠纪-三叠纪时期，华南陆块在南部与印支陆块发生碰撞，在北部与华北板块发生碰撞。这一时期强烈的构造热事件使得华南地区产生了大规模的花岗岩浆作用（图1）。前人的研究以及本研究所汇编的数据显示（图2），华南陆块二叠纪-三叠纪花岗岩大部分来源于古老地壳的再造，只有少数的新生地壳的参与。这些花岗岩的形成时代相近，Th、U含量和Th/U比值变化较大，为评估岩浆演化对Hf同位素组成的影响提供了理想的对象。

图1 华南陆块岩浆岩与主要断裂的分布

图2 (A)华南二叠纪-三叠纪花岗岩中锆石的ε_Hf(t = 200 Ma)值与U含量关系图；

(B)华南二叠纪-三叠纪花岗岩全岩SiO₂含量与锆石ε_Hf(t = 200 Ma)值和全岩ε_Nd(t = 200 Ma)值关系图

汇编数据显示，二叠纪-三叠纪花岗岩中锆石的ε_Hf(t)值的变化范围很大（以200 Ma计算)，为-43.6至+12.1，第一和第三四分位值（Q1和Q3）分别为-10.9和-6.5。低U锆石的Hf同位素组成呈现较大范围，随着U含量的增加，锆石的ε_Hf(t)值逐渐集中到全部数据的四分位距内（图2A）。

这里值得注意的是，高U锆石（U >2000 ppm）在汇编数据库只占较小比例（12%），所以，需要讨论采样偏差造成锆石Hf同位素均一化现象的可能性。因此，我们对数据进行了进一步处理，采用了Δε_Hf(t = 200 Ma) （各样品单个分析ε_Hf值与该样品ε_Hf中值之差）和ΔU（各样品单个分析锆石U含量与该样品U含量最小值之差）来展示数据。结果显示，Δε_Hf（t = 200 Ma）和ΔU的相关图解中大多数数据遵循正态分布，少数拟合线以外的数据点被视作异常值（图3）。此外，也计算了Δε_Hf(t = 200 Ma)对ΔU的滑动平均值（图4），滑动平均值基本保持在0，而与滑动平均值相关的标准偏差(2SD)大致随ΔU的增加而下降。整个数据库（图2A）和经过处理减少异常值影响的数据库（图4），都显示锆石的ε_Hf(t)值随U含量增加而发生均一化，表明造成Hf同位素组成均一化的原因是潜在的地质过程而不是采样偏差。

图3 华南二叠纪-三叠纪花岗岩中锆石的Δε_Hf(t = 200 Ma)值与ΔU值相关图和高斯拟合。拟合线下面和外面的数据分别被视为正常值和异常值

图4 (A)华南二叠-三叠花岗岩中锆石的Δε_Hf(t = 200 Ma)值和ΔU值相关图及滑动平均值和2SD; (B) 2SD和ΔU相关图；(C)和(D)分别与(A)和(B)相同，但是其移动平均值和2SD计算去除了异常值

花岗岩中的锆石Hf同位素组成常常具有较大变化范围，前人已对此提出了多种解释，包括来自不同的源岩和开放体系，源岩锆石的继承，和不平衡熔融等。由于Hf在熔体中的扩散速率较低，所以无论是哪种机制占主导，花岗岩的Hf同位素在一定空间范围内都会保持这种不均一性。花岗岩岩体一般是由来自多个源区或单一源区不同批次岩浆脉冲式侵位形成，这些不同批次的岩浆在产生、迁移和侵位的过程中，可能是保持相互独立和各自演化的状态。因此，来自同一花岗岩样品的锆石可能代表的是来自岩浆系统不同层位的不同岩浆批次。锆石Hf同位素组成的不均一性可能与这一复杂的形成过程有关。然而，当不同批次的岩浆侵位后，岩浆系统会经历漫长的演化结晶，期间可能会因为岩浆的补给而再加热，但最终会随着长期的冷却而结晶。在这这漫长的演化过程中，由于物理混合或者化学扩散，Hf同位素会逐渐趋向均一化。这一过程能够解释本研究的观察结果（图2、图4）。

下面对锆石Hf同位素均一化的原因进行讨论。本研究所有的锆石颗粒均具有谐和的U-Pb年龄，并且U含量对于锆石的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄没有明显的影响（图5）。这表明锆石的U-Pb系统是封闭的，所以高U锆石Hf同位素的均一化与后期热液流体的改造或者热事件对同位素系统的重置无关。

图5 华南二叠纪-三叠纪花岗岩的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄和U含量中值相关图

在花岗质岩浆长期演化结晶的过程中，锆石可以从早期岩浆熔体或晚期岩浆熔体中结晶，也可以从岩浆演化晚期析出的热液流体中结晶。通常认为具有高U、高Hf、低Ti、低Th/U等微量元素特征的锆石是花岗质岩浆演化晚期、从演化的熔体或热液流体中结晶形成。此外，前人研究表明，Zr、Hf等高场强元素通常是流体不活动性元素，但当流体为碱性或具有高Na、Ca和F元素含量时，这些高场强元素在流体中会形成稳定的络合物（例如，Zr-Na/Ca-OH/F络合物），从而提高这些高场强元素的溶解度。因此，在富含碱（土）金属、羟基和氟等络合剂的熔流体中，Hf的移动能力增强，其同位素更容易发生均一化。随着岩浆演化，晚期岩浆熔体或者热液流体会倾向于富集F元素。所以，本研究推测，在岩浆演化的最后阶段，F在熔体（及其析出的流体）中的含量增加，有利于Hf同位素组成的均一化。这一研究进一步揭示了花岗岩中锆石Hf同位素组成的控制机制。

这项研究受第四届中国科协青年人才托举工程项目资助。第一作者高彭为中山大学地球科学与工程学院副教授。他主要从事花岗岩地球化学研究，以地球化学和相平衡计算为基础，致力于以汇聚板块边缘花岗岩为岩石探针理解造山作用过程。2018年，高彭博士受我会推荐获得“青年人才托举工程”计划资助。中国科协青年人才托举工程项目，重点支持32岁以下的青年科技人才自主进行科研，为他们潜心研究提供更有力的保障，激励青年科技人才树立科学精神、培养创新思维、挖掘创新潜能、提高创新能力，在继承前人的基础上不断超越。

论文信息：Gao P*, Wang Y, Yakymchuk C, Gu H O*, Sun G C*, Yin C, Zhang J, Qian J. 2022. Homogenization of zircon Hf isotopes during late-stage granite crystallization. Chemical Geology. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.121072