SA：淺部岩漿儲庫流紋質熔體快速抽離與花崗岩體的形成
流紋質火山作用往往伴隨著劇烈的火山爆發，可以產生嚴重的社會災害。流紋質岩漿通常來源於上地殼岩漿儲庫，該儲庫中主要包含早期結晶的礦物晶體和礦物粒間的高矽流紋質熔體（合稱為晶粥體）；將高矽熔體從岩漿儲庫中抽離出來是流紋岩火山噴發前的主要深部過程（Bachmann and Bergantz, 2004; Hildreth, 2004）。抽離的流紋質岩漿經火山通道噴出地表形成火山岩，包含堆晶的殘餘相經冷卻則形成侵入岩，兩者組成上具有互補關係（Bachl et al., 2001）。目前，對流紋質岩漿成因模型爭論的焦點主要集中在對岩漿積聚、上地殼駐留和隨後熔體抽離時間尺度的理解（Schaen et al., 2021）。以前主要透過火山噴發產物來開展該方面研究，這不利於對火山作用（火山岩）和侵入作用（侵入岩）成因聯絡的理解，並限制了完整統一模式的建立。
隆升剝露的淺成相侵入體可能儲存了地殼內高矽熔體分離過程的深部記錄，對該類侵入體的深入研究，有助於從次火山岩角度理解流紋岩的形成過程，並有利於比較岩漿儲庫中長期熔體積聚和短期熔體抽離之間的時間尺度。位於智利科迪勒拉山系晚中新世（7.2～6.2Ma）的Risco Bayo-Huemul (RBH) 深成雜巖儲存了鎂鐵質岩漿到流紋岩及其互補的堆晶巖的完整岩石分異序列，是研究該類問題的理想物件。美國威斯康星大學麥迪遜分校Allen J. Schaen教授及其合作者首先利用全巖成分質量平衡計算，提出Huemul巖體內部的巖性差異與熔體抽離作用下的殘餘晶體濃度有關，Huemul鹼性花崗岩是從晶粥體中抽離的高度演化的流紋質熔體的結晶產物，而富Zr、Ba且無Eu異常的石英二長巖代表了分異作用的互補殘餘堆晶（Schaen et al., 2017）。進一步工作中，他們透過精細顯微結構和原位礦物成分分析來驗證了矽質堆積假說,並指出揮發分和熔體能夠穿過下伏的晶粥體發生運移（Schaen et al., 2018）。然後，這一研究團隊利用磁化率的各向異性以及早期長石的優勢取向，發現水平地殼構造縮短與流紋岩抽離同時代，提出構造作用抽離的熔體形成了高結晶度的晶粥體，而氣體驅動的壓濾作用是流紋岩在萬年尺度上形成的主要機制（Garibaldi et al., 2018）。這些研究對RBH深成岩體不同巖相的顯微結構、化學成分、形成機制和動力學過程進行了討論，但是這些開創性的研究始終缺少對深成岩體系內熔體抽離時間尺度的限定。
在上述工作基礎上，Schaen團隊再次對RBH深成雜巖開展研究，包括詳細的岩石學、礦物學和地球化學分析，系統地提出了高矽流紋質熔體抽離模型，並用U-Pb年代學（結合年齡和成分分析）和40Ar/39Ar熱年代學檢驗了其時間和熱可行性。新的研究表明，較老的Risco Bayo巖體是脈衝式侵位的基性-中性岩漿的混合，這些岩漿批次對上地殼進行了熱啟動，從而促進了隨後Huemul巖體中高矽質熔體抽離（Schaen et al., 2021）。相關研究成果發表在Science Advance上。
CA-ID-TIMS測試分析發現，Risco Bayo巖體鋯石結晶跨度約為24萬年，介於7.193±0.014～6.956±0.053Ma。Huemul巖體從石英二長巖到高矽花崗岩，跨度約19萬年，介於6.384±0.022～6.199± 0.022Ma。微量元素分析顯示：隨著鋯石年齡的降低，微量元素Y濃度，包括除Eu外的所有稀土元素（REE），在Risco Bayo樣品中降低，在Huemul樣品中增加（圖1A）。這些鋯石的Y變化趨勢，連同Yb/Dy（圖1B）的狹窄範圍，反映了Huemul巖體中存在類似的分離結晶趨勢，這表明熔體是從共同的母岩漿演化而來的。RBH岩石和礦物中的Eu/Eu*趨勢（圖1C和D）是長石分離和堆晶的判斷依據。作者利用鋯石的微量元素以及鋯石-熔體分配係數重新估算了與鋯石相平衡的熔體元素組成，將其與Huemul的全巖分離結晶模型（Schaen et al., 2017, 圖1D中的紫色帶）相比較。高矽花崗岩與這些不同巖相鋯石之間的成分差距（圖1D）清楚地表明其存在一個短暫的過程，如流紋質熔體抽離。進一步的研究中，作者們根據微量元素分析分離了這些特殊的高矽花崗岩鋯石，並對這個測量到的U-Pb年齡群體進行了統計自舉（隨機抽樣和替換）。然後將該方法的最小和最大自舉年齡之差作為模擬的平均鋯石結晶持續時間，平均持續時間為13.2萬年。高矽花崗岩區域的體積在34km3到112km3之間（假設厚度1.2～4km），據此估算的熔融通量為0.00017～0.0015km3/yr。
圖1 鋯石的U-Pb、CA-ID-TIMS-TEA分析結果。(A)Y；(B)Yb/Dy；(C)平衡熔體的Eu/Eu*；(D)虛線框內隨時間推移的Huemul巖體平衡熔體Eu/Eu*組成的詳細檢視。紫色帶代表全巖分離結晶模型中熔體的Eu/Eu*範圍。綠色線條代表Risco Bayo斑狀閃長巖樣品的鋯石U-Pb年齡範圍
結合上述討論，Schaen團隊提出了一個多相/多尺度的巖體侵位模型來模擬Huemul岩漿儲集層演化和熔體抽離（圖2），並將該方法擴充套件到三維，以解釋不同巖體的空間分佈（圖3）。用一個40km × 40km × 60km（水平方向為40km）的區域來包含區域熱演化，其中熔體抽離速率是使用區域性熔體性質、熔體分數和熔體與晶體之間的阻力關係來計算的（圖3）。岩石/熱年代學和數值模擬共同對熔體抽離施加了時間和熱量上的約束，結果顯示大約50km3的流紋岩是從上地殼晶粥體中抽離出來的，在130萬年（圖2）內形成了Huemul巖體，深度可達3.5km，平均岩漿冷卻速率約為600 °C/Ma。
圖2 根據巖體侵位的數值模擬得出的熔體體積和時間尺度。(A)巖體侵位的有限元數值模擬。圓形表示給定模擬的全部可抽離熔體，而正方形僅表示同一模擬的鋯石飽和的可抽離熔體（由相同的顏色表示）。灰色水平線條是鋯石年齡分佈情況（正方形為平均值，誤差為1σ SD）；(B)使用圖1D中分離的高矽花崗岩鋯石，比較數值模擬產生的鋯石結晶持續時間（綠色）和由測量的TIMS資料的自舉群體產生的平均結晶持續時間（粉紅色）。綠色分佈來自(A)中的48km3熔體模擬
圖3 與地質、鋯石年代學和數值模擬有關的Huemul巖體熔體分離觀測彙編。(A)對RBH巖體侵入過程（侵入位置顯示為藍色透明表面）進行宏觀模擬，疊加數字高程模型指示相對位置；(B)Huemul巖體的地質剖面；(C)圖1D中分離的、與(B)中的截面B-B‘近似的熔體抽離所得的鋯石化學分類’的示意圖；(D)利用從岩漿儲集層模擬中提取的資訊，相對速度是透過阻力和浮力來計算的；(E)鋯石飽和模型（Schaen et al., 2017）。鋯石飽和實驗與流紋岩-熔體模型相結合，計算出鋯石飽和所需的Zr濃度（黑線）。並利用流紋岩-熔體模型的主量元素含量計算了M引數（藍線）、Zr熔體曲線（綠線）
間隙熔體抽離是從上地殼岩漿儲集層中產生多種型別流紋岩的一種重要方式。這項研究發現，這一過程不僅可以形成相應深成岩，還可以在短暫的時間尺度上發生，同時仍然保持典型的緩慢的長期侵位速率。這證實了熔體抽離是一種可行的上地殼分異過程，可以同時產生流紋岩和高矽花崗岩。淺層的深成岩體系在未來的火山領域研究中有著重要的作用。
【致謝：感謝長安大學陳璟元和岩石圈室劉小馳副研究員的寶貴修改建議。】
主要參考文獻
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（撰稿：陳厚彬，紀偉強/岩石圈室）
校對：李玉鈐、趙娜
