除极少量碳酸岩岩浆外，地球上岩浆的成分都是硅酸盐质的，并可根据SiO2含量来划分岩浆岩岩石类型。高硅岩浆的产生是造就地球高分异陆壳的重要途径，研究高硅岩浆的成因对于我们理解陆壳的演化以及火山爆发预警具有重要意义。最近十余年，长英质岩浆的晶体-熔体分离被认为是产生这些高硅岩石的重要方式，其中熔体喷出形成火山岩，而残留下来的晶体则冷凝形成侵入岩（即花岗岩）。但是，如何识别/寻找火山下部岩浆储库中“堆晶”的证据仍然不够清楚。
我国华南地区分布着大量晚中生代（大约一亿多年前）的火山-侵入杂岩，是研究高硅火山岩成因和探讨火山岩-侵入岩联系的天然实验室。太阳集团tyc539内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室研究团队在前辈王德滋院士、周新民教授、周金城教授等的研究基础上，继续深入探讨华南火山-侵入杂岩的研究。本次研究选取浙西北桐庐火山-侵入杂岩作为研究对象，从杂岩体中识别出边缘相（流纹岩）、过渡相（流纹英安岩）和中心相（侵入岩：闪长岩和二长岩）岩石，通过岩相学观察、锆石U-Pb定年和Sr-Nd同位素分析，发现这些侵入岩和火山岩在形成时代、空间展布和物质来源上具有非常好的一致性，说明两者具有明显成因联系。
图1（a）和（b）Rhyolite-MELTS模拟的不同水含量条件下矿物的结晶顺序。（c）和（d）基于Rhyolite-MELTS模拟结果的质量平衡计算。
为进一步揭示桐庐火山岩与侵入岩的关系，研究团队借助显微岩相结构、地球化学、热力学模拟和质量平衡计算等多种手段深入剖析，刻画了火山喷发之前岩浆房内的演化过程，并将其总结为两阶段的晶体-熔体分离过程。第一阶段：岩浆房内早期结晶的角闪石+斜长石+磷灰石+磁铁矿等矿物在重力的作用下沉降到底部，形成早阶段的堆晶。第二阶段：黑云母+钾长石+锆石等新的矿物也达到了饱和结晶，同样在重力作用下沉降到早阶段的堆晶之上，而残余的熔体则在岩浆房的顶部聚集。模拟计算表明，岩浆房中的这些‘堆晶体’实际上是晶体和熔体的混合物，其熔体的含量可达40 wt%，这在一定程度上模糊了堆晶的识别标志。来自地幔的基性（低硅）岩浆在这一过程提供了热量，在一定程度上延长了高硅岩浆房的寿命，促进了晶体-熔体的分离。最终，岩浆房顶部富集熔体的部分喷出地表形成流纹岩和流纹英安岩，而中下部富集晶体的部分由于粘度太高而残留在火山下部的地壳中，冷凝形成二长岩和闪长岩。
图2 桐庐岩浆房演化模式图。（a）第一阶段结晶沉降。（b）第二阶段晶体沉降、基性岩浆底侵和底部堆晶低程度熔融。
这项工作表明，地壳浅部的长英质岩浆可以通过晶体-熔体分离的方式产生高硅的熔体。由于花岗质岩浆的高粘度使得晶体-熔体的分离不够高效，这些熔体喷出后会在火山的下部留下大量的“堆晶体”，显示火山岩与侵入岩之间确实存在着紧密的联系。该项工作同时给出了一个综合利用显微岩相结构、地球化学、热力学模拟和质量平衡计算多种手段有效识别地壳中与火山岩互补“堆晶”的范例。
相关研究成果于2022年1月以“Deciphering cryptic multi-stage crystal-melt separation during construction of the Tonglu volcanic–plutonic complex, SE China”为题正式发表在国际岩石学顶级期刊《Journal of Petrology》上。论文的第一作者为太阳集团tyc539博士研究生杜德宏，王孝磊教授为通讯作者。此研究得到了国家自然科学重点基金和杰出青年基金、内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室、科技部重点研发计划、太阳集团tyc539登峰计划和太阳集团tyc539优秀博士研究生创新能力提升计划的联合资助和支持。
文章链接：https://doi.org/10.1093/petrology/egab098
