伍皓，李小剛，吳晨，夏彧，周懇懇，熊國(guó)慶，姚雪婷

1)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都，610081；2)重慶科技學(xué)院復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，401331；3)中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所青藏高原地球系統(tǒng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100101

內(nèi)容提要: 為嘗試?yán)娩喪瘉?lái)初步探索地球內(nèi)部鈾、釷的豐度，通過(guò)搜集秦嶺造山帶加里東期巖漿巖體鋯石U—Th—Pb同位素測(cè)年文獻(xiàn)，掌握了3件超基性巖、52件基性巖、46件中性巖、90件酸性巖，共計(jì)191件樣品，6979個(gè)(鈾含量數(shù)據(jù)3552個(gè)，釷含量數(shù)據(jù)3427個(gè))鋯石定年數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析指示鈾和釷在同一類型巖漿巖鋯石中含量均相差懸殊，可在不同類型巖漿巖鋯石中富集或虧損，不具有從超基性巖到基性巖到中性巖再到酸性巖總體增加的趨勢(shì)。在所有樣品鋯石鈾、釷平均值2倍以上的45件高富集樣品中的34件呈現(xiàn)“局部長(zhǎng)期”分布的特征，表現(xiàn)為：10件在451.0～422.1 Ma期間的以O(shè)IB型基性、中基性巖為主的樣品約29 Ma時(shí)間集中產(chǎn)出在南秦嶺大巴山地區(qū)，巖漿多來(lái)自由HIMU，EMII和EMI三個(gè)富集地幔端元組分混合而成的復(fù)雜地幔區(qū)；24件在495.9～413.6 Ma期間的以I型、S—I型酸性巖為主的樣品約82 Ma時(shí)間集中產(chǎn)出于北秦嶺商丹(商南—丹鳳)地區(qū)，巖漿可來(lái)自地幔、殼幔混合和地殼源區(qū)。結(jié)合華南金屬鈾(0價(jià))的發(fā)現(xiàn)等前人研究成果初步分析認(rèn)為，加里東期大巴山和商丹地區(qū)可能分別存在地幔柱和大陸型熱點(diǎn)，地核中大量鈾、釷沿地幔柱和大陸型熱點(diǎn)上升致使地幔和地殼局部熔體中鈾、釷長(zhǎng)期富集，其超高含量可能被熔體中鋯石結(jié)晶部分記錄，這一元素遷移過(guò)程可能是兩區(qū)域產(chǎn)出高鋯石鈾、釷含量樣品和商丹地區(qū)生成鈾礦的主要原因。支持鈾、釷可在地核和地幔柱富集的認(rèn)識(shí)。

1954年，挪威地球化學(xué)家戈?duì)柕率┟芴?Goldschmidt)根據(jù)化學(xué)元素在隕石各相和冶金過(guò)程產(chǎn)物的分布情況，結(jié)合他自己提出的地球模型，將元素區(qū)分為親鐵、親銅、親石、親氣和親生物五類。鈾和釷與氧的親合力強(qiáng)，易熔于硅酸鹽熔體中，主要分布在硅酸鹽相的地幔和地殼中，被歸為親石性元素(戈?duì)柕率┟芴兀?959)。隨后幾十年，地球化學(xué)家們主要采用隕石類比法、地球模型和隕石類比法、地球物理類比法等方法計(jì)算出鈾和釷在地球各圈層的豐度，得出鈾、釷于地殼富集，于地幔、地核虧損的一致認(rèn)識(shí)(沃依特克維奇，1958; 黎彤，1976; Taylor and McLennan, 1985; 趙振華，2016)，最新研究也估算出地核中鈾、釷含量可以忽略不計(jì)(Faure et al., 2020)。Turekian和Wedepohl(1961)、維諾格拉多夫(Vinogradov，1962)分析了鈾、釷在各類巖漿巖中的含量，指出鈾、釷含量從超基性巖到基性巖到中性巖到酸性巖具有總體升高的趨勢(shì)。巖漿巖中鋯石鈾、釷含量一般被認(rèn)為也是隨著巖石基性程度降低而明顯地增高(鄭懋公和朱杰辰，1984; 李耀菘等，1995; 鮑學(xué)昭和張阿利，1998; Belousova et al., 2002)。

盡管如此，極少數(shù)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論分析認(rèn)為鈾、釷可在地核中大量富集并能成為地球演化的重要能源(Elsasser, 1950; Feber et al., 1984; Murrell and Burnett, 1986; Herndon, 1993, 2014; 鮑學(xué)昭，1999; 馬學(xué)昌，2016)。另外，高鈾、釷含量的中、基性巖也偶見報(bào)道，如：騰沖滇灘鐵礦區(qū)白堊系輝綠巖脈鈾含量高達(dá)363×10-6，閃長(zhǎng)巖鈾含量為104×10-6，釷含量為38×10-6?，分別是基性巖鈾豐度(1×10-6)、中性巖鈾豐度(3×10-6)和釷豐度(13×10-6；Turekian and Wedepohl, 1961)的363倍、35倍和3倍，部分鈾礦地質(zhì)專家據(jù)此并結(jié)合典型鈾礦床分析認(rèn)為地幔中鈾含量存在不均一性，在大陸型熱點(diǎn)活動(dòng)(地幔柱)區(qū)的巖石圈地幔可能含有較高的鈾豐度，可直接提供鈾源(李子穎等，1999，2010; 李子穎，2006，2009; 王正其和李子穎，2007，2016; 王正其等，2010; 劉成東等，2016)。鮑學(xué)昭和張阿利(1998)還推測(cè)巖石圈之下存在一個(gè)富含U、Th、K放射性生熱元素的富集圈。不僅如此，我們甚至發(fā)現(xiàn)某些超鎂鐵巖體鋯石中也可具有高鈾、釷含量，如：云南彌渡金寶山260 Ma輝石橄欖巖樣品(1309-3)13粒SHRIMP U—Th—Pb定年鋯石鈾含量范圍146×10-6～4104×10-6，平均2176×10-6，釷含量范圍151×10-6～14372×10-6，平均4312×10-6(陶琰等，2008)，鋯石鈾含量可排前人用中子活化法測(cè)得的全國(guó)81個(gè)巖體的第9位，釷含量居8個(gè)巖體的第1位，高于絕大多數(shù)酸性巖體(李耀菘等，1995)，也高于華南諸廣山南體花崗巖用LA-ICP-MS U—Th—Pb或SHRIMP U—Th—Pb法測(cè)得的37件樣品中的32件的鈾含量(伍皓等，2020)。因此，地球內(nèi)部是否貧鈾、釷？巖漿巖全巖及其鋯石中鈾、釷含量是否具有從超基性巖到基性巖到中性巖再到酸性巖總體增長(zhǎng)的趨勢(shì)？有待進(jìn)一步討論。

相較于全巖中鈾含量易受變質(zhì)、風(fēng)化等作用影響而發(fā)生變化，鋯石鈾含量則通常能較恒定反映原始巖漿的鈾含量情況(李耀菘等，1995)。鋯石中鉿元素含量也被證明能指示結(jié)晶時(shí)熔體中的鉿的豐度(Wang Di et al., 2018)，鋯石中釷等其他微量素也具有相同的原理(Claiborne et al., 2010)。據(jù)此，為嘗試?yán)娩喪醪教剿鞯厍騼?nèi)部鈾、釷的豐度，本文以各類巖漿巖發(fā)育較齊全且研究程度相對(duì)較高的秦嶺造山帶加里東期巖漿巖體為例，通過(guò)充分搜集該區(qū)巖體鋯石U—Th—Pb同位素測(cè)年文獻(xiàn)，開展系統(tǒng)的鋯石年齡、鈾、釷含量、鋯石Lu—Hf同位素、全巖地球化學(xué)、Sr—Nd和Sm—Nd同位素等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以期探討鋯石中鈾、釷含量與巖漿巖類型及其巖漿源區(qū)之間的關(guān)系，力圖為地球內(nèi)部鈾、釷豐度研究提供新證據(jù)和新方法，并試圖為地球動(dòng)力學(xué)和地震成因研究帶來(lái)新的啟發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

秦嶺造山帶是中國(guó)大陸的脊梁，東西向橫亙中國(guó)大陸中央，在中國(guó)大陸形成與演化中占有突出重要位置(張國(guó)偉等，2019)。該造山帶經(jīng)歷了原特提斯洋和古特提斯洋打開—閉合的演化過(guò)程，發(fā)育有兩條重要的縫合帶，即北部的商丹縫合帶(商南—丹鳳縫合帶)和南部的勉略縫合帶(勉縣—略陽(yáng)縫合帶)，以商丹縫合帶為界，秦嶺造山帶可以劃分為北秦嶺和南秦嶺造山帶(張國(guó)偉等，1995; Dong Yunpeng et al., 2011a, b；圖1)。秦嶺造山帶經(jīng)歷了復(fù)雜的造山過(guò)程，有研究認(rèn)為早古生代沿商丹帶發(fā)育了一個(gè)成熟的古秦嶺洋，南北兩側(cè)為被動(dòng)大陸邊緣，隨后古秦嶺洋向華北地塊俯沖，北側(cè)轉(zhuǎn)化成活動(dòng)大陸邊緣(許志琴等，1986；Hsu et al., 1987；Zhang Guowei et al., 1989)。也有學(xué)者認(rèn)為古秦嶺洋向揚(yáng)子地塊俯沖，南側(cè)轉(zhuǎn)化為活動(dòng)大陸邊緣(Xue Feng et al., 1996)。而作為印支期板塊縫合帶的南秦嶺勉略帶(李春昱等，1982；張國(guó)偉等，2001)，其究竟是泥盆紀(jì)—三疊紀(jì)期間古特提斯洋分支有限洋盆(張國(guó)偉等，1995，2003；賴紹聰?shù)龋?003)；還是早古生代—泥盆紀(jì)的有限洋盆(殷鴻福和黃定華，1995)；亦或是一個(gè)新元古代形成，泥盆紀(jì)南北雙向俯沖增生，在三疊紀(jì)末閉合的原始古大洋(王濤，2008；王宗起等，2009)，仍有爭(zhēng)議?；诖?，前人重建了多種秦嶺造山帶構(gòu)造演化過(guò)程模型，如：張國(guó)偉等(2001)認(rèn)為秦嶺造山帶由洋—陸板塊俯沖造山( Pt3—S—C—P1)；陸—陸板塊俯沖碰撞造山( D—C—P1—T2-3) 和陸內(nèi)造山( J3—K) 的多期多樣不同屬性性質(zhì)的復(fù)合造山，構(gòu)成特征突出鮮明的秦嶺式大陸復(fù)合造山模式；姜涌泉(1998)指出秦嶺造山帶應(yīng)屬“楔入造山”的陸內(nèi)碰撞擠壓造山帶；楊志華等(2002)則提出秦嶺造山帶中存在3類沉積盆地，3種盆山轉(zhuǎn)換，3個(gè)發(fā)展階段及3種型式的“抽拉構(gòu)造”造山模式。與秦嶺造山帶形成演化息息相關(guān)的物質(zhì)記錄，即多時(shí)期、多成因、多類型的巖漿巖在區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育。

圖1 秦嶺造山帶加里東期巖漿巖樣品分布圖(據(jù)Dong Yunpeng et al., 2011a, b, 2018; Shi Wei et al., 2012, 2013修改)Fig.1 The distribution map of Caledonian igneous samples from the Qinling Orogen (modified after Dong Yunpeng et al., 2011a, b, 2018; Shi Wei et al., 2012, 2013)

2 數(shù)據(jù)搜集與處理

筆者查閱搜集了近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的秦嶺造山帶加里東期(534.0～413.6 Ma)巖漿巖體鋯石U—Th—Pb測(cè)年文獻(xiàn)，共搜集到論文69篇，博、碩士論文16部，專著1本，掌握了區(qū)內(nèi)3件超基性巖、52件基性巖、46件中性巖、90件酸性巖，共計(jì)191件樣品，6979個(gè)(鈾含量數(shù)據(jù)3552個(gè)，釷含量數(shù)據(jù)3427個(gè))參與巖體定年的巖漿鋯石鈾、釷含量數(shù)據(jù)(表1，表2，表3)，191件樣品大致分布如下：3件超基性巖樣品零星分布于河南桐柏、湖北竹溪地區(qū)，主要巖性為云斜煌巖和碳酸巖(圖1，表1)；52件基性巖樣品主要分布于北秦嶺和南秦嶺大巴山地區(qū)，少量分布于陜西略陽(yáng)和湖北隨州地區(qū)，主要巖性為輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、玄武巖和粗玄巖等(圖1，表1)； 46件中性巖樣品同樣主要分布于北秦嶺和南秦嶺大巴山地區(qū)，少量分布于湖北隨州地區(qū)，主要巖性為石英閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)巖、安山巖等(圖1，表2)；90件酸性巖樣品集中分布于北秦嶺地區(qū)，零星分布在湖北隨州，主要巖性為花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、英安巖等(圖1，表3)。我們將所有樣品按類別自西向東，由北往南的順序進(jìn)行了編號(hào)，其中，25號(hào)基性巖樣品，2號(hào)、28號(hào)中性巖樣品，74～78號(hào)酸性巖樣品，共8件樣品缺少鋯石釷含量數(shù)據(jù)。樣品鋯石均用LA—ICP—MS 、SHRIMP、SIMS或TIMS U—Th—Pb法測(cè)定，136件樣品以全巖地化數(shù)據(jù)指示了樣品產(chǎn)出構(gòu)造環(huán)境或巖漿源區(qū)等信息，50件樣品的鋯石Lu—Hf同位素?cái)?shù)據(jù)和66件樣品的全巖Sr—Nd或Sm—Nd同位素?cái)?shù)據(jù)示蹤了各樣品的巖漿源區(qū)。

鋯石數(shù)據(jù)處理過(guò)程中有4件酸性巖樣品不易識(shí)別出原作者U—Th—Pb定年所選鋯石，包括：22號(hào)(KP006)、51號(hào)(09CL252-3)、57號(hào)(05Q)樣品中的各1粒和41號(hào)(09CL229-3)樣品中的5粒，所以上述樣品鋯石鈾、釷平均值存在些許誤差。另外，8件樣品存在鋯石εHf(t)與全巖εNd(t) 范圍不一致的情況，包括23號(hào)(14FS09)、24(14FS21)號(hào)2件基性巖樣品，10號(hào)(GS-14/1B)、11號(hào)(CGH-11/1B)、14號(hào)(BJ-06/1B)3件中性巖樣品，4號(hào)(CCP-01/1B)、7號(hào)(CGH-07/1B)、30號(hào)(TYP)3件酸性巖樣品?？紤]到鋯石Hf同位素在示蹤巖漿源區(qū)組成時(shí)優(yōu)于全巖Sr—Nd、Sm—Nd同位素(吳福元等，2007; 邱檢生等，2008)，我們選取鋯石εHf(t)來(lái)確定樣品巖漿源區(qū)。

3 巖漿巖樣品鋯石中鈾、釷含量特點(diǎn)

在同一研究區(qū)域，由不同學(xué)者測(cè)得的加里東期各類巖漿巖樣品中鋯石鈾、釷含量具有以下特點(diǎn)：3件超基性巖鋯石平均鈾含量范圍11×10-6～361×10-6，平均釷含量范圍260×10-6～2785×10-6；52件基性巖鋯石平均鈾含量范圍84×10-6～2173×10-6，51件基性巖鋯石平均釷含量范圍35×10-6～4725×10-6；46件中性巖鋯石平均鈾含量范圍57×10-6～1672×10-6，44件中性巖鋯石平均釷含量范圍51×10-6～2951×10-6；90件酸性巖樣品平均鈾含量范圍104×10-6～4849×10-6，85件酸性巖鋯石平均釷含量范圍36×10-6～1207×10-6(表1，表2，表3)。大巴山地區(qū)41～48號(hào)基性巖樣品和北秦嶺灰池子花崗巖體34～43號(hào)樣品絕大多數(shù)顯示出統(tǒng)一的高鋯石釷或鈾含量(平均在1000×10-6以上)，這一共性在反映出事物自身客觀規(guī)律的同時(shí)，也體現(xiàn)出前人測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。結(jié)合樣品鈾、釷含量對(duì)比圖(圖2)可以看出，鈾和釷在同一類型巖漿巖鋯石中含量均相差懸殊，可在不同類型巖漿巖鋯石中富集或虧損。例如：酸性巖樣品中最高鈾含量的47號(hào)(GSG-49)是最低的19號(hào)(09CL268-3)的46.6倍(表3)，基性巖樣品中最高釷含量的43號(hào)(11LGC-8)是17號(hào)(H-01)的135倍(表1)；前期被認(rèn)為應(yīng)具高鋯石鈾、釷含量的花崗巖樣品中雖有46號(hào)(PD1080-8)、47號(hào)(GSG-49)、69號(hào)(ZPll-11)3件樣品平均鈾含量在4000×10-6以上，37號(hào)(FKll-25)、59號(hào)(08HN33)、63號(hào)(08HN32)、64號(hào)(08HN27)4件樣品平均釷含量大于1000×10-6，但也有17件樣品平均鈾含量?jī)H在104×10-6～199×10-6之間，19號(hào)(09CL268-3)、21號(hào)(LXPll-03)、32號(hào)、69號(hào)(ZPll-11)4件樣品平均釷含量甚至低于50×10-6(表3)。同樣的，被認(rèn)為應(yīng)具低鋯石鈾、釷含量的超基性巖、基性巖樣品雖大多數(shù)鈾、釷平均值在1000×10-6以下，但仍存在極高含量的樣品，如：3號(hào)(13MY-6)超基性巖平均釷含量為2785×10-6，25號(hào)(YQG15-02)基性巖平均鈾含量為2173×10-6，43號(hào)(11LGC-8)基性巖平均釷含量達(dá)4849×10-6(表1)。本團(tuán)隊(duì)在大巴山輝綠巖樣品(LXG-8-16-2017-1B)測(cè)得9粒同期定年鋯石平均鈾含量高達(dá)5275×10-6，平均釷含量甚至達(dá)17114×10-6(注：樣品在2個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了對(duì)比測(cè)定；待發(fā)表)。因此，本文數(shù)據(jù)分析指示鋯石中鈾、釷含量與巖漿巖類型之間的關(guān)系復(fù)雜，鈾和釷在同一或不同類型巖漿巖鋯石中含量均高低差異明顯。并不具有前人認(rèn)為的從超基性巖到基性巖到中性巖再到酸性巖總體增加的趨勢(shì)。

4 高鋯石鈾、釷含量(高富集)樣品特點(diǎn)

針對(duì)鈾和釷在同一類型巖漿巖鋯石中含量均相差懸殊，可在不同類型巖漿巖中富集或虧損的特點(diǎn)，本文選取具高鋯石鈾、釷含量的樣品(高富集樣品)進(jìn)行巖石類型、構(gòu)造環(huán)境和巖漿源區(qū)等系統(tǒng)分析。首先，筆者以191件樣品鋯石平均鈾、釷含量2倍為參考值篩選出高富集樣品，具體為3552個(gè)鋯石數(shù)據(jù)平均鈾含量841×10-6，2倍含量為1682×10-6，3427個(gè)鋯石數(shù)據(jù)平均釷含量564×10-6，2倍含量為1128×10-6。依據(jù)鋯石平均鈾、釷含量分別高于1682×10-6和1128×10-6標(biāo)準(zhǔn)篩選出超基性巖、基性巖、中性巖、酸性巖高富集樣品各1件、12件、6件、26件，共45件(圖1，表1，表2，表3)，分別占各類樣品總數(shù)的33.3%、23.1%、13%和28.9%。其中，10件集中分布于南秦嶺大巴山地區(qū)，包括1件超基巖(表1中的3號(hào))、6件基性巖(表1中的41～43、45、47、48號(hào))、3件中性巖(表2中的35、38、43號(hào))，樣品多具有洋島玄武巖(OIB)地化特征，巖漿多來(lái)自HIMU，EMII和EMI 3個(gè)富集地幔端元組分混合而成的復(fù)雜地幔區(qū)，樣品時(shí)代為451.0～422.1 Ma。24件集中分布于北秦嶺商南—丹鳳地區(qū)，包括20件花崗巖(表3中的24～28、34、36～42、44～47、51、53、54號(hào))，2件基性巖(表1中的25、26號(hào))，2件中性巖樣品(表2中的25、27號(hào))。20件花崗巖中5件采自陳家莊鈾礦區(qū)，8件采自灰池子巖體，4件采自光石溝鈾礦區(qū)，3件采自漂池巖體(圖1)，17件屬I型、S—I型，巖漿來(lái)自地幔、殼?；旌显磪^(qū)，樣品時(shí)代462.8～413.6 Ma；僅漂池巖體3件為S型，巖漿來(lái)自地殼源區(qū)，樣品時(shí)代487.3 Ma、449.9 Ma、436.2 Ma；2件基性巖樣品采自富水巖體，表1中的23、24號(hào)樣品指示巖體具島弧玄武巖(IAB)地化特征，巖漿來(lái)自殼?；旌显磪^(qū)，樣品時(shí)代480 Ma、476 Ma；2件中性巖樣品同樣采自富水巖體，具島弧玄武巖(IAB)地化特征，巖漿來(lái)自地殼源區(qū)，樣品時(shí)代495.9 Ma、490 Ma。其余11件高富集樣品有3件分布于陜西灣潭地區(qū)，包括1件基性巖(表1中30號(hào))和2件酸性巖(表3中59、63號(hào))，基性巖屬島弧玄武巖(IAB)，源區(qū)未知，樣品時(shí)代475 Ma；酸性巖為I型、S—I型，巖漿源區(qū)為虧損地幔，樣品時(shí)代為499.2 Ma、485.2 Ma。剩余8件樣品零星分布于甘肅天水、清水、康縣、陜西西峽—鎮(zhèn)平、河南桐柏、湖北隨州地區(qū)。

總體看來(lái)，45件高富集樣品中的34件呈現(xiàn)出“局部長(zhǎng)期”分布的特點(diǎn)，表現(xiàn)為：10件在451.0～422.1 Ma期間的以O(shè)IB型基性、中基性巖為主的樣品，約29 Ma時(shí)間集中產(chǎn)出在南秦嶺大巴山地區(qū)，巖漿多來(lái)自由HIMU，EMII和EMI三個(gè)富集地幔端元組分混合而成的復(fù)雜地幔區(qū)；24件在495.9～413.6 Ma期間的以I型、S—I型酸性巖為主的樣品，約82 Ma時(shí)間集中產(chǎn)出于北秦嶺商丹(商南—丹鳳)地區(qū)，巖漿可來(lái)自地幔、殼幔混合和地殼源區(qū)。剩余的11件樣品零星分布于甘肅天水、陜西灣潭、河南桐柏、湖北隨州等地。

5 討論

5.1 高富集樣品局部長(zhǎng)期分布原因探討

鑒于現(xiàn)測(cè)鋯石鈾含量與早古生代鋯石形成時(shí)初始鈾含量差異不大(鄭懋公和朱杰辰，1984)，Th232的半衰期為1.45×1010年(侯德封等，1974)，衰變對(duì)釷含量的影響可以忽略，所以本文鋯石鈾、釷含量基本能代表鋯石結(jié)晶時(shí)的初始鈾、釷含量。另在鋯石鈾釷含量與主巖鈾釷含量成正相關(guān)的研究基礎(chǔ)之上(鄭懋公和朱杰辰，1984; 李耀菘等，1995; 雷瑋琰等，2013)，初步認(rèn)為鋯石中鈾釷含量的多少可在一定程度上反映其結(jié)晶時(shí)熔體中鈾釷含量的高低。以此為依據(jù)，本文將分別分析南秦嶺大巴山和北秦嶺商南—丹鳳地區(qū)長(zhǎng)期產(chǎn)出高富集樣品的原因。

5.1.1南秦嶺大巴山長(zhǎng)期產(chǎn)出高富集樣品的
原因分析

南秦嶺大巴山地區(qū)10件高富集樣品多顯示洋島玄武巖(OIB)地化特征，源區(qū)主要來(lái)自HIMU，EMII和EMI三個(gè)富集地幔端元組分混合而成的復(fù)雜地幔區(qū)，樣品時(shí)代451.0～422.1 Ma。鋯石中高鈾、釷含量指示其結(jié)晶時(shí)該地幔源區(qū)熔體中存在高豐度的鈾、釷，那么，鈾、釷從何處來(lái)，又是如何在地幔局部熔體長(zhǎng)達(dá)29 Ma時(shí)間里富集的呢？關(guān)于南秦嶺大巴山早古生代地幔性質(zhì)的研究，徐學(xué)義等(2001)認(rèn)為地幔柱的活動(dòng)與嵐皋早志留世煌斑巖漿的起源密切相關(guān)，并制約了其源區(qū)的地幔交代作用。地幔柱活動(dòng)亦是南秦嶺早古生代大陸裂谷—裂解的先兆。張成立等(2002)根據(jù)該區(qū)僅發(fā)育堿性巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物而明顯缺失大陸拉斑玄武巖，同樣認(rèn)為該區(qū)存在短暫活動(dòng)的地幔柱，因其活動(dòng)時(shí)間短、熱量有限未能沿陜西紫陽(yáng)、嵐皋、平利和湖北竹溪等地東西一線擴(kuò)張打開形成新的洋盆，該區(qū)基性巖脈應(yīng)來(lái)自于與地幔柱活動(dòng)密切相關(guān)的富集地幔源區(qū)。后期，他則認(rèn)為該區(qū)基性巖具HIMU，EMII和少量EMI端元組分混合的虧損軟流圈上地幔Sr—Nd—Pb特征，是新元古代早期揚(yáng)子北緣大洋地殼俯沖消減及其攜帶的陸源沉積物再循環(huán)進(jìn)入虧損軟流圈地幔的結(jié)果，南秦嶺區(qū)地幔性質(zhì)自新元古代中期至早古生代晚期的大約360 Ma時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定一致(張成立等，2007)。多數(shù)學(xué)者也認(rèn)為早志留世或之前北大巴山地區(qū)可能存在一期與俯沖相關(guān)的弧后拉張作用導(dǎo)致下部巖漿上涌侵位，最終完成該區(qū)巖漿作用(鄒先武等，2011; 陳虹等，2014; 王坤明，2014; 許光等，2018a,b)。

鋯石指示的地幔局部熔體可長(zhǎng)期富集鈾、釷的現(xiàn)象若以“自上而下”的大洋地殼和陸緣物質(zhì)再循環(huán)觀點(diǎn)來(lái)解釋相當(dāng)困難，一方面，鈾、釷離子半徑比Fe、Ni等基性離子大得多，因而在變質(zhì)作用過(guò)程中易于隨K、Na 等遷移離開母巖。即在大洋板塊俯沖部位，鈾、釷不易于大量隨板塊俯沖進(jìn)入地幔，而是隨變質(zhì)熱液或因俯沖碰撞引起的巖漿再上升進(jìn)入大陸地殼，這也是大陸地殼鈾、釷富集的一個(gè)重要過(guò)程(鮑學(xué)昭和張阿利，1998)，另一方面，即使它們隨板塊俯沖進(jìn)入地幔源區(qū)，首先，因其地球化學(xué)特征表現(xiàn)強(qiáng)親石性，長(zhǎng)期與周圍地幔儲(chǔ)庫(kù)相隔離而單獨(dú)富集的可能性較小。其次，Grffithes(1986)通過(guò)模擬計(jì)算認(rèn)為洋島火山活動(dòng)的原因可能來(lái)自深地幔柱，利用海洋俯沖玄武巖和沉積物中放射性元素濃度的增加不足以提供地幔柱熱動(dòng)力；Niu Yaoling(2009)也認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)和地幔對(duì)流允許玄武巖的地幔源區(qū)中有循環(huán)古洋殼(ROC)和循環(huán)古陸殼(RCC)存在，但它們對(duì)洋島玄武質(zhì)巖漿作用的貢獻(xiàn)微不足道。所以，地幔熔體中高豐度的鈾、釷不大可能來(lái)自淺部大洋地殼和陸緣物質(zhì)再循環(huán)。相反，在地核大量富集鈾、釷的前提下，“自下而上”的地幔柱假說(shuō)則能很好解釋這一現(xiàn)象。地幔柱一般被認(rèn)為起源于核幔邊界(Morgan, 1972; 陳凌等，2020)，是連接地球深部與淺部的特殊通道。大巴山加里東期若存在地幔柱，地核中大量富集的鈾、釷則可以長(zhǎng)期沿著地幔柱由地核進(jìn)入地幔，其超高含量則可能被地幔局部熔體中鋯石結(jié)晶部分記錄并保存，其余部分則存留在熔體、其他共存礦物和包裹體等等中。因而，相對(duì)來(lái)說(shuō)，地幔熔體中高豐度的鈾、釷最有可能自深部地核沿地幔柱而來(lái)。

特別需要指出的是：最近Li Ziying等(2015)在華南貴東330礦床和諸廣山302礦床的瀝青鈾礦中首次發(fā)現(xiàn)了0價(jià)的金屬鈾，6件瀝青鈾礦樣品中U0原子百分?jǐn)?shù)為0.02%～1.57%。到目前為止，已知鈾礦床的鈾礦物中僅有四價(jià)和六價(jià)態(tài)鈾存在，金屬鈾(0價(jià))的發(fā)現(xiàn)表明鈾來(lái)自地球的深處，鈾可作為自然狀態(tài)或更低的價(jià)態(tài)形成于地球內(nèi)部的強(qiáng)還原環(huán)境(劉成東和梁良，2017)。鮑學(xué)昭(1999)也認(rèn)為在極度還原和缺揮發(fā)份的下地幔和地核，鈾、釷將以低價(jià)的化合物、氧化物或金屬的形式存在，且極易沉入地核。另有資料顯示：在超高壓條件下，深度相當(dāng)于2900 km的地帶(核幔邊界)，壓力達(dá)到百萬(wàn)個(gè)大氣壓以上，此時(shí)原子的核外電子層完全被破壞，電子呈自由狀態(tài)，為所有原子核公有，所有元素在超高壓下，均呈超導(dǎo)電性的金屬狀態(tài)，即零價(jià)態(tài)(南京大學(xué)地質(zhì)系，1979)。因此，金屬鈾(0價(jià))的發(fā)現(xiàn)不僅初步證實(shí)了上述地核“金屬化”物態(tài)認(rèn)識(shí)，更表明地核中極可能存在鈾元素，也存在釷元素，這就為地核富集鈾、釷提供了可靠前提。綜上，我們初步認(rèn)為地核可能大量富集鈾、釷，且南秦嶺大巴山存在地幔柱是該區(qū)域長(zhǎng)期產(chǎn)出高富集樣品的根本原因。

5.1.2北秦嶺商丹(商南—丹鳳)長(zhǎng)期產(chǎn)出高富集
樣品的原因分析

北秦嶺商南—丹鳳地區(qū)24件高富集樣品巖石類型、巖漿源區(qū)比較復(fù)雜，主要為I型、S—I型花崗巖，巖漿可來(lái)自地幔、殼?；旌虾偷貧ぴ磪^(qū)，樣品時(shí)代495.9～413.6 Ma。鋯石年齡和鈾、釷含量指示該區(qū)域至少長(zhǎng)達(dá)82 Ma的時(shí)間里地幔和地殼熔體中鈾、釷含量高于周緣。北秦嶺商丹地區(qū)長(zhǎng)期產(chǎn)出高富集樣品的原因是否可能同大巴山一樣同受地幔柱活動(dòng)影響？

熱點(diǎn)一般被認(rèn)為是地幔柱到達(dá)地表的作用形式(Wilson, 1963, 1973; Morgan, 1972)，李子穎(2006)根據(jù)熱點(diǎn)活動(dòng)背景的不同將其分為大洋型和大陸型熱點(diǎn)。大洋型熱點(diǎn)活動(dòng)產(chǎn)生于洋殼，主要表現(xiàn)為：上升的熾熱地幔柱把上覆巖石圈抬升，使地殼呈現(xiàn)巨大穹窿構(gòu)造；地幔柱沖破巖石圈作用于地表，并多以大規(guī)模的基性火山噴出作用為特點(diǎn)。典型熱點(diǎn)活動(dòng)的例子是在大洋環(huán)境中形成火山島鏈(海山鏈)，如“熱點(diǎn)行跡”的夏威夷島鏈。大陸型熱點(diǎn)活動(dòng)作用于大陸，其特點(diǎn)是：由于較厚的陸殼硅鋁層，當(dāng)?shù)蒯Ｖ谏畈孔饔糜跉めr(shí)，一般產(chǎn)生熔融和混熔，并在熱動(dòng)力作用下出露地表，多產(chǎn)生構(gòu)造伸展、多期次成分復(fù)雜的巖漿活動(dòng)和火山作用、流體活動(dòng)和熱泉等，且?guī)r漿活動(dòng)多以酸性組分為主，典型例子為發(fā)育“交點(diǎn)型”熱液鈾礦床的華南貴東巖體東部(李子穎等，2010; 王正其等，2010)。北秦嶺商南—丹鳳地區(qū)巖漿巖體與貴東巖體相比，同樣多以酸性組分為主，且先后發(fā)現(xiàn)了4個(gè)偉晶巖型鈾礦床和數(shù)十個(gè)鈾礦點(diǎn)以及數(shù)以千計(jì)的礦化異常點(diǎn)，鈾礦年齡在423～382 Ma(劉德成，1991；王江波等，2020)，我們由此懷疑495.9～413.6 Ma期間北秦嶺商南—丹鳳地區(qū)可能存在與華南相似的大陸型熱點(diǎn)，推測(cè)地核中大量富集的鈾、釷可沿著地幔柱由地核進(jìn)入地幔，并以熱點(diǎn)為通道由地幔進(jìn)入地殼，其超高含量則被地幔和地殼熔體中鋯石結(jié)晶部分記錄。因此，在地核大量富集鈾、釷的狀態(tài)下，發(fā)育大陸型熱點(diǎn)可能是該區(qū)域長(zhǎng)期產(chǎn)出多類型、多源區(qū)高富集樣品并生成鈾礦的主要原因。

5.2 樣品鋯石Th/U變化的原因探討

通常隨著巖漿基性程度增大，巖漿鋯石的Th/U值增大(Belousova et al., 2002)，本區(qū)樣品也存在這種現(xiàn)象，商丹地區(qū)高富集酸性巖樣品主要是平均鈾含量超標(biāo)，Th/U低，大巴山高富集中基性巖樣品主要是平均釷含量超標(biāo)，Th/U高(圖2)。首先，這不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為商丹熱點(diǎn)熔體中只富集鈾，大巴山地幔柱巖漿熔體中只富集釷，因商丹熱點(diǎn)中性巖27號(hào)樣品FS0808釷含量達(dá)2384×10-6，本團(tuán)隊(duì)在大巴山輝綠巖樣品(LXG-8-16-2017-1B)9粒鋯石中測(cè)得平均鈾含量高達(dá)5275×10-6(待發(fā)表)，為全區(qū)最高，所以兩地質(zhì)體巖漿熔體中鈾、釷均可富集。其次，巖漿鋯石的Th/U值與鈾釷在巖漿中的含量以及它們?cè)阡喪c巖漿之間的分配系數(shù)有關(guān)(Rowley et al., 1997; Mojzsis and Harrison, 2002)，一般情況下分配系數(shù)為0.2(吳元保和鄭永飛，2004)，鋯石Th/U則多取決于巖漿中鈾釷含量，其隨基性程度變化可能是由于地球中釷含量本底(0.24 g/t)較鈾含量(0.045 g/t)高(黎彤，1976)，鈾在流體中的活動(dòng)性比釷強(qiáng)(Rollinson and Windley, 1980; Nozhkin and Turkina, 1995)，所以流體含量相對(duì)少的基性巖漿及其鋯石中Th/U多大于1，而堿性巖漿和酸性巖漿富含H2O、F、CO2等流體，因F能活化、遷移熔體中的鈾，CO2則是鈾在轉(zhuǎn)入溶液后進(jìn)行搬運(yùn)和沉淀的主要載體(余達(dá)淦，2001)，致使鈾易從堿性巖漿流失，鋯石Th/U異常高，如碳酸巖樣品13MY-6(表1)，Th/U為4.9～22.0。而在酸性巖漿中鈾易富集，鋯石Th/U較低，如花崗偉晶巖樣品GSG-49(表3)，Th/U為0.01～0.06。此外，獨(dú)居石等礦物也會(huì)對(duì)Th/U造成影響，由于形成獨(dú)居石會(huì)吸收大量釷，如果獨(dú)居石形成早于鋯石，則鋯石具有低的釷含量和Th/U值，反之亦然(Harley et al., 2007)。

5.3 鈾、釷在地球深部富集的指示意義探討

5.3.1對(duì)地球動(dòng)力學(xué)研究的啟示

大約自1954年以來(lái)，鈾、釷在地殼中富集在地幔、地核中虧損逐漸被視為地學(xué)常識(shí)，但國(guó)內(nèi)外仍有極少數(shù)學(xué)者堅(jiān)持認(rèn)為它們可能在地核中大量富集并成為地球演化的重要能源，如：Elsasser(1950)提出地核中鈾和釷的衰變能可引發(fā)外核熱對(duì)流；Deffeys(1972)和Anderson(1975)認(rèn)為在“D”層產(chǎn)生的放射性元素的衰變熱是地幔柱啟動(dòng)的主要?jiǎng)恿?；Feber等(1984)實(shí)驗(yàn)研究表明UO2—Fe液相體系在高于3120 k的溫度下具完全混溶性，從而推斷地核中可能富集大量的鈾，其豐度足以維持地球磁場(chǎng)；Murrell和Burnett(1986)實(shí)驗(yàn)研究指出在還原情況下，鈾、釷將脫離親石性和傾向于親硫性，因此他們比鉀更易于進(jìn)入地核和成為行星核部的重要能源；美國(guó)跨學(xué)科科學(xué)家Herndon長(zhǎng)期致力于地球與行星體系核能驅(qū)動(dòng)演化研究，2006年，他在地核核裂變認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)之上(Herndon, 1993)，提出“減壓驅(qū)動(dòng)(Whole-Earth decompression dynamics)” 地球動(dòng)力學(xué)模式(Herndon, 2006, 2014)，并以此對(duì)超大陸的形成、冰川峽灣和海底峽谷的產(chǎn)生以及石油天然氣成因進(jìn)行了獨(dú)特的分析(Herndon, 2016a, b, 2017)。國(guó)內(nèi)，中科院地化所鮑學(xué)昭(1999)率先提出地球的外地核中存在大量的生熱元素鈾和釷的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為它們是驅(qū)動(dòng)地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、包括板塊運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?。最近，馬學(xué)昌(2016)認(rèn)為前4.5 Ga以后，鈾的核裂變反應(yīng)停止，钚的核裂變繼續(xù)在內(nèi)地核上發(fā)生，經(jīng)外地核和地幔外導(dǎo)，引發(fā)地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地球內(nèi)有充足的鈾和钚可以驅(qū)動(dòng)地殼運(yùn)動(dòng)。本文以秦嶺造山帶加里東巖漿巖體鋯石鈾、釷含量為示蹤劑，結(jié)合金屬鈾的發(fā)現(xiàn)等前人研究成果，初步證實(shí)鈾、釷可能在地核大量富集，并可沿地幔柱和大陸型熱點(diǎn)在地幔和地殼中局部長(zhǎng)期富集，這不僅為前人地核富鈾、釷的認(rèn)識(shí)新增了有利證據(jù)，更為地球演化由地核核能驅(qū)動(dòng)的假說(shuō)提供了重要“立足點(diǎn)”，使其成為地球與行星動(dòng)力學(xué)研究中一種亟待進(jìn)一步驗(yàn)證的可行思路。

5.3.2對(duì)地震成因研究的啟示

人類探究地震的歷史悠久，對(duì)地震的認(rèn)識(shí)不斷加深，但地震成因至今仍在爭(zhēng)論當(dāng)中(杜建國(guó)等，2018)，由Reid在1906年創(chuàng)立的“彈性回跳假說(shuō)”一直被視為主流學(xué)說(shuō)(Reid, 1910)。我們注意到：早在1968年，Rosue和Bisque在研究貝尼奧夫帶的幾何特征時(shí)發(fā)現(xiàn)了地表構(gòu)造、貝尼奧夫帶和地核之間的一種特殊關(guān)系。即地球上幾乎所有的貝尼奧夫帶都具有60°左右的傾角，200～300 km寬度的傾斜帶。此帶向下延伸與地核相切，向上延伸與地球表面交成一個(gè)大圓帶。這大圓帶同地震帶、洋脊、島弧和大型斷層系有密切關(guān)系，他們認(rèn)為地球的金屬核(內(nèi)核)表面的變化可能是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，包括火山噴發(fā)、地震等的根本原因(Rouse and Bisque, 1988)。該假說(shuō)先見性地將地球內(nèi)核表面與地震成因關(guān)聯(lián)起來(lái)，Thomas (1987)通過(guò)地球深部構(gòu)造分析和超高溫高壓實(shí)驗(yàn)支持上述認(rèn)識(shí)。巧合的是，內(nèi)地核表面被部分學(xué)者認(rèn)為可能是地核中鈾、釷或钚集中富集并發(fā)生核裂變之地(鮑學(xué)昭，1999; 馬學(xué)昌，2016)。那地震的形成有無(wú)可能與地球內(nèi)核表面放射性元素核反應(yīng)生成能量的釋放有著緊密的聯(lián)系？

6 結(jié)論

為探索地球內(nèi)部鈾、釷豐度，本文基于鋯石中鈾釷含量的多少可在一定程度上反映其結(jié)晶時(shí)熔體中鈾釷含量高低的初步認(rèn)識(shí)，大膽嘗試以秦嶺造山帶加里東期巖漿巖體為樣本，開展對(duì)已發(fā)表巖漿巖體鋯石U—Th—Pb同位素測(cè)年文獻(xiàn)中大量鋯石鈾、釷含量、地化、同位素等數(shù)據(jù)的二次開發(fā)利用，通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析暫得出以下結(jié)論：

(1)鈾和釷在同一類型巖漿巖鋯石中含量均相差懸殊，可在不同類型巖漿巖中富集或虧損，不具有前人認(rèn)為的從超基性巖到基性巖到中性巖再到酸性巖總體增加的趨勢(shì)。

(2)高富集樣品呈現(xiàn)在南秦嶺大巴山地區(qū)和北秦嶺商南—丹鳳地區(qū)長(zhǎng)期產(chǎn)出的特征，結(jié)合金屬鈾的發(fā)現(xiàn)等前人研究成果分析認(rèn)為：加里東期兩地區(qū)可能分別存在地幔柱和大陸型熱點(diǎn)，地核中大量鈾、釷沿大巴山地幔柱和商丹大陸型熱點(diǎn)上升致使地幔和地殼局部熔體中鈾、釷富集，其超高含量被鋯石結(jié)晶部分記錄，上述元素遷移過(guò)程可能是兩區(qū)域產(chǎn)出高鋯石鈾、釷含量樣品和商丹地區(qū)生成鈾礦的主要原因，即“核源—地幔柱”成因。本文通過(guò)對(duì)秦嶺造山帶加里東期巖漿巖鋯石中鈾、釷含量特征分析，初步證實(shí)鈾、釷可在地核和地幔柱富集的推論。

(3)以地核中可能富集鈾、釷等放射性元素為依據(jù)，地核核能“自下而上”的驅(qū)動(dòng)地球演化、引發(fā)地震等認(rèn)識(shí)不是“天方夜譚”。加強(qiáng)巖漿巖鋯石中鈾、釷含量等微量、稀土元素?cái)?shù)據(jù)的重復(fù)利用，可獲得更多有意義的地質(zhì)信息。

致謝：審稿專家提出的建設(shè)性意見提升了文章質(zhì)量；成文過(guò)程中得益于前期眾多參考文獻(xiàn)作者辛勤工作所得的客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為本文開展探索性研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在此一并表示衷心感謝！

注 釋/Note

? 云南省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 1989. 中華人民共和國(guó)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告(1∶5萬(wàn)麻栗壩幅、固?hào)|街幅).