从成矿作用的心跳到高原的身高

文章转载自“微区分析”

摘要：通过热液石英约束千年尺度的脉冲式成矿作用，反演高原古海拔，并探讨因板片断离而短暂存在的超高的高原。

Millennial pulses of ore formation and an extra-high Tibetan Plateau

1、石头也有心跳吗？

提起中酸性岩浆岩，大部分人可能很陌生，其实它们覆盖了这个星球的绝大部分陆地，以坚硬的花岗岩地板和猛烈的火山喷发走进我们的生活，还孕育了金铜铁等金属资源，提供工业化所需要的原材料。

地质学家整天与这些石头打交道，尝试去理解他们多大了，从哪儿来，藏着什么秘密。一个一直让我着迷的问题是，石头有心跳吗？对人等高等生物，心跳与生俱来，我们早已习惯了其存在。但冷冰冰的石头也有心跳？这听起来可能有一些天方夜谭。

为了回答这一问题，我们主要研究了一种叫做石英的矿物（图1）。它的化学成分为二氧化硅，在白色的海滩上最为常见，通常被用来制作玻璃。当石英足够纯净漂亮时，则称为水晶，被做成首饰、器皿和摆件等。

图1，形形色色的石英

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规则生长的石英会留下像树木年轮一样的环带（图2），借助电子显微镜就能清晰的看见。利用数树木年轮的思路，从核部到边部一环环阅读石英，我们就能理解石英是怎样长大的，在这个过程中又经历了什么。

图2，树木的年轮和石英在电子显微镜下的环带

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通过逐环测量石英的氧同位素，就能反演石英生长过程中记录的信息。生长于岩浆热液体系中的石英，其氧同位素一般非常稳定。当热液体系的氧同位素发生显著改变时，如雨水加入，就会被石英记录下来，这是利用氧同位素研究其生长过程的基础。

岩浆流体氧同位素大概是8‰左右，所以雨水的值与之差别越大，则这一过程更容易被识别出来。降雨有一个非常有意思的特征，即其氧同位素随着海拔升高而降低。例如，拉萨冬天的降雨可能低至-30‰，而北京大概可能仅有-10‰。显然，对形成时海拔较高的样品开展这一研究有先天的优势。

我们研究的样品采集自拉萨东边一个叫知不拉的矽卡岩铜矿，与我博士论文研究的驱龙斑岩铜矿毗邻。这些石英晶体一般厘米大小，在电子显微镜下表现出美丽的环带，包含四个阶段的生长过程（图3）。

图3，知不拉石英的环带和四阶段生长过程

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采用一种叫二次离子质谱的仪器，可以实现在20微米的尺度上获取石英的同位素信息，这个尺度大约是头发直径的五分之一。在实验过程中发现，每一个分析的石英晶体都在生长晚期出现氧同位素突然降低并再次升高的现象（图4）。这一突变被记录在大约头发丝宽度的范围内，所以在几个毫米甚至厘米级的区域内准确找到几十个微米的目标区域需要好运眷顾和耐心。

我们将第2-3阶段突然降低的氧同位素解释为雨水加入，而之后的上升则代表新一期岩浆流体注入。这些数据表明，石英生长时记录了一次雨水和至少两次岩浆流体注入的过程。氧同位素这样有节律的上升下降是不是和心跳很像？

图4，知不拉石英记录的氧同位素演化

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2、感知石头的心率

我们在医院做心电图时，心跳一个关键的参数是频率。所以在成功识别出心跳后，厘定心率则成为重要的问题。石英基本不含可用于定年的放射性元素，因此难以对石英开展精确的同位素测年。为了厘定石英的心率，我们采用了一种叫扩散年代学的相对测年方法。这利用的是无处不在的扩散作用，比如王安石“遥知不是雪，为有暗香来”闻到的梅香，就主要是通过扩散作用传来的。

扩散年代学是一门古老而又年轻的定年技术，蓬勃发展的微区分析技术让其在近年来焕发出强大的生命力。前面提到的石英环带，就主要受铝、钛和锂等微量元素控制，越亮的环带一般铝等元素含量越高。

受扩散作用影响，这些元素会从含量高的区域向含量低的区域扩散。扩散的程度主要受温度和时间控制，这构成扩散年代学的理论基础。如果时间足够长，这些环带就会被抹平。和放射性同位素测年给出某一过程发生的时间点不同，扩散年代学给出的是该过程的持续时间。

图5，石英Al含量分布特征及扩散模拟结果

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扩散年代学理想的状态是测量含量高、且扩散快的元素。对我们研究的热液石英，钛和锂虽然扩散速度快，但含量太低，难以被准确测量，所以唯一的选择就是含量较高、但扩散极慢的铝。热液石英中的铝扩散通常发生在微米尺度，这大概是头发直径的百分之一，所以一般认为热液条件下石英中的铝基本不扩散。借助于纳米离子探针的图像扫描技术（图5），我们成功在0.1微米尺度上实现了铝含量测试，第一次看见了低温条件下铝在石英中的扩散剖面（图5）。

通过模拟计算，上述心跳的持续时间大概是几百年。至此，有关石头是否有心跳、以及心率是多少的问题，就得到了解答。而找到控制心跳的引擎，则成为新的话题，尚待进一步研究来解答。

3、丈量高原的身高

前面提到，雨水的氧同位素与海拔相关，这一相关性则可以用来研究古高程。注意到热液石英记录了极低的氧同位素组成后，我们很快意识到这也许可以是一个新的古高度计。基于一个简单的两端元混合模型，计算出了雨水的氧同位素组成，并进一步计算得到海拔。结果显示17百万年前，知不拉所在区域的古海拔大约为6km。也就是说，曾经存在一个比现在高~1km的高原。

图6,知不拉石英记录的古海拔及可能的动力学机制

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所以，高原到底经历了什么，导致其长高后又变矮呢？我们推测可能是俯冲于欧亚板块之下的印度板块在17百万年前后发生断离，上覆板片因为浮力的原因而发生抬升（图6）。

致谢和原文信息：

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本研究主要受国家重点研发计划项目“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”和国家自然科学基金优秀青年科学基金等项目支持。

李扬, Mark Allen, 李献华. Millennial pulses of ore formation and an extra-high Tibetan Plateau. Geology 10.1130/g49911.1 (2022).

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编辑：余艳

审核：李扬、李献华