近日，中国科学院广州地球化学研究所副研究员王军、研究员王强团队与英国布里斯托大学教授Hawkesworth团队合作，以青藏高原南羌塘地块西段侏罗纪含石榴石岩浆爆发事件为研究对象，并结合全球第四纪弧火山岩及典型弧石榴石辉石岩数据，揭示了沉积物控制加厚弧岩浆的钙碱性分异和大陆地壳组成。相关成果发表于《地球化学与宇宙化学学报》。

科迪勒拉型大陆弧后底冲引发的地壳增厚与岩浆爆发（HFEs；据中安第斯弧修改）。研究团队供图

地球表面最显著的特征之一，是洋壳和陆壳成分差异巨大。洋中脊岩浆多走“富铁”的拉斑质分异路线，而大陆弧岩浆多走“贫铁”的钙碱性分异路线。随着地壳增厚，岩浆演化早期的Fe亏损愈发显著，而大陆地壳组成又与加厚弧岩浆相似。因此，揭示加厚弧岩浆早期Fe亏损机制，是认识大陆地壳起源的关键。

近年来，大量研究聚焦封闭系统中哪种矿物结晶分异导致Fe亏损，尤其关注压力敏感的石榴石，却常忽视科迪勒拉型大陆弧的构造和岩浆活动周期性：弧后逆冲使地壳逐渐增厚，岩浆通量增加，即钙碱性岩浆爆发，同时岩浆Sr-Nd同位素逐渐富集。这说明地壳熔融与混染在加厚弧岩浆演化中至关重要。但石榴石分异和地壳混染对加厚弧岩浆早期Fe亏损的相对贡献，仍不清楚。

针对这一问题，研究团队取得三点新认识：

一是，南羌塘侏罗纪弧岩浆爆发事件可与中安第斯弧中新世以来的岩浆爆发类比。岩体面积、岩石组成和碎屑锆石数据均表明，岩浆通量增加的同时，岩浆Nd－Hf同位素逐渐富集，La/Yb和Sr/Y比值及估算的古地壳厚度也持续增加。中安第斯弧火山岩尚无石榴石斑晶报道，而羌塘新发现的含石榴石安山岩，为加厚弧岩浆在约1 GPa条件下经历沉积物混染和石榴石结晶提供了直接矿物学证据，包括高δ¹⁸O岩浆锆石边与继承的碎屑锆石核，以及石榴石等斑晶的震荡和反环带。南、北及中安第斯弧火山岩的O-Sr同位素也显示，地壳越厚，沉积物混染信号越明显。

二是，评估石榴石分异与沉积物混染的相对贡献，关键在于确定石榴石开始结晶的时间和结晶量。混染-结晶的热力学和地球化学模拟表明，随着压力升高，石榴石结晶量及其开始结晶时熔体的MgO含量均增加。只有在较低压力下，少量（< 5 wt%）石榴石从低MgO（< 4 wt%）岩浆中结晶，才能再现加厚弧岩浆的Dy/Yb和La/Yb比值范围。更高压力会使更多石榴石（最高达40 wt%）从MgO更高（最高达8 wt%）的岩浆中结晶，导致模拟熔体稀土比值远高于加厚弧岩浆。模拟和实验研究都发现，石榴石Py/Alm比值与其平衡熔体的MgO含量正相关。因此，无论弧石榴石辉石岩是高温熔融残留体还是岩浆堆晶岩，其平衡熔体MgO含量不会超过4 wt%。总之，石榴石与高MgO岩浆的早期Fe亏损没有关系，加厚弧高镁岩浆相对恒定的稀土比值也证实石榴石在岩浆演化晚期才饱和。全球高镁弧岩浆Dy/Yb变化主要受控于尖晶石相与石榴石相地幔熔融的比例，而壳内低镁岩浆中少量石榴石结晶对岩浆氧逸度影响有限。

三是，已有热模拟发现，当低密度屏障将玄武质熔体限制在较窄的垂向空间内时，岩浆热量损失更少，地壳熔融与混染效率更高。研究团队计算了不同性质围岩与玄武质熔体的密度差，发现在超过45 km的深度，石榴石辉石岩密度甚至大于地幔橄榄岩密度。这意味着，在浮力驱动下，玄武质岩浆会像穿过地幔楔橄榄岩一样穿过致密的下地壳，而不会在壳幔边界处停留和分异。相反，只有在小于45 km的深度，由成熟长英质沉积物变质形成的贫石榴石围岩才能构成阻碍岩浆上升的低密度屏障，而镁铁质沉积物在任何深度均不能。巧合的是，这一深度范围与上述稀土比值独立限定的结果相吻合，且地球物理观测同样显示，中安第斯弧壳内含熔体低速层的深度小于45 km。

加厚弧岩浆的极度贫Fe特征，主要继承于混染的贫Fe长英质沉积物，其高度富集的同位素组成表明，这些沉积物是古老地壳的风化残余。科迪勒拉型弧背前陆盆地邻近克拉通边缘，弧后底冲可将易熔的长英质沉积盖层或含变沉积岩的基底带入弧下地壳，促使弧地壳增厚并引发钙碱性岩浆爆发。同时，榴辉岩相变质导致的下地壳致密化，控制了岩浆滞留与沉积物混染的深度。已有研究显示，除岩浆分异及后续镁铁质—超镁铁质下地壳拆沉外，化学风化及易溶元素的后续俯冲同样可推动大陆地壳长英质化，贡献约15%-60%的地壳质量。前寒武纪铁建造的广泛分布表明，在新元古代氧化事件之前，二价Fe和Mg在大洋中均为易溶元素。

该研究进一步揭示，前寒武纪化学风化能优先去除地壳中的镁铁质组分，在塑造大陆地壳组成中发挥重要作用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.09.019