东昆仑造山带三叠纪富晶火山岩与贫晶火山岩的成岩作用：来自原位锆石-磷灰石-石英及全岩地球化学成分的证据

《Lithos》：Petrogenesis of Triassic crystal-rich and crystal-poor volcanic rocks in the East Kunlun orogenic belt: Evidence from in-situ zircon-apatite-quartz and whole-rock geochemical compositions

东昆仑造山带杜兰地区三叠纪晶富与晶贫火山岩的对比研究表明，两者源自同一岩浆源（基性下地壳部分熔融），但经历不同演化阶段：晶贫岩浆经历快速分离形成晶贫火山岩，而晶富岩浆因长时（约2百万年）晶浆库再活化，发生两阶段晶-熔分离，最终形成晶富岩浆。Zr U-Pb年代学（240-242 Ma）和同位素证据（εHf值相近）支持共同源区，显微特征与全岩地球化学揭示晶浆再活化主导分离过程。

　　

张梦宇|刘斌|马长倩|薛振华|孙阳|李艳青|张瑶瑶|吴鸾|李世泽

中国武汉长江大学地球科学学院，邮编430100

摘要

同时存在富晶质和贫晶质的火山岩被广泛认为是研究岩浆糊状物质分解过程以及地壳中晶体-熔体-挥发物相互作用的天然档案。然而，这两种类型火山岩的形成机制及其遗传联系仍不清楚。本研究整合了东昆仑造山带（EKOB）Dulan地区三叠纪富晶质和贫晶质火山岩的锆石U-Pb地质年代学和Hf同位素组成、原位锆石-磷灰石-石英组成以及全岩地球化学数据。结果表明，这些火山岩主要由流纹质凝灰岩组成，但它们的晶体含量有所不同。与贫晶质火山岩相比，富晶质火山岩的SiO₂和总稀土元素含量较低，而TiO₂和MgO含量较高。不过，两种类型的火山岩在锆石U-Pb年龄、稀土元素和微量元素模式以及锆石ε_Hf(t)值方面具有相似性，表明它们来源于相同的岩浆源，最有可能是由下部地壳的基性物质部分熔融形成的。锆石的纹理和原位组成也表明它们的演化趋势大致相同，但富晶质火山岩的岩浆演化持续时间更长。锆石前晶和长石团晶的存在支持了存在一个长期存在的（约200万年）富晶质岩浆糊状物质储库的观点。全岩、锆石和磷灰石的成分变化进一步表明，岩浆糊状物质经历了复杂的晶体-熔体分离过程，这一过程主要由斜长石的分馏控制，并通过共结晶的锆石和磷灰石记录下来。与贫晶质火山岩相比，富晶质火山岩含有丰富的石英和磷灰石，后者通常显示出反向分带现象，并记录了较高的温度特征。结合新的区域研究，我们提出了EKOB地区三叠纪富晶质和贫晶质火山岩形成的两阶段晶体-熔体分离机制：早期的晶体-熔体分离有利于提取富含H₂O的熔体，形成了贫晶质火山岩；随后含水基性岩浆的注入重新激活了岩浆糊状物质，并触发了后续的分离过程，最终形成了富晶质火山岩。

引言

火山是连接地球内部过程与地表系统演化的重要枢纽。火山喷发对全球气候变化产生了显著影响，促进了地球各层之间的物质交换，改变了行星的宜居性，并在历史上多次重塑了人类文明的进程（Guo等人，2021；Jenkins等人，2023；Liu等人，2023；Ma等人，2022；Xu等人，2024；Xu和Wang，2024；Zhu等人，2021）。自2022年以来，汤加、意大利、美国、智利和日本的火山喷发进一步凸显了火山灾害的全球影响（Millán等人，2022；Xu和Wang，2024）。来自冰芯记录的新数据表明，本世纪发生灾难性火山喷发（VEI≥7）的概率远高于大型小行星或彗星撞击。这种强度的喷发比2022年汤加喷发强10到100倍，对全球构成严重威胁（Cassidy和Mani，2022；Lin等人，2022）。通常，火山喷发是由多个地壳层次中的一系列复杂、动态和非线性过程引起的（Ca?ón-Tapia，2014；Caricchi等人，2021）。然而，“是什么触发了地球上的火山喷发”这一基本问题仍然没有得到解答，这严重阻碍了我们的预测能力和灾害缓解工作（Cooper，2022）。全面理解深部岩浆过程，并结合对火山系统的实时监测，对于阐明喷发机制和提高灾害评估能力至关重要（Cooper，2022）。

尽管实时监测和地球物理成像可以为喷发预测提供有价值的信息（Bennington等人，2025；Hughes等人，2025；Jenkins等人，2023；Maguire等人，2022），但这些观测主要反映了火山的当前状态，无法完全捕捉到深部地壳储库中的所有喷发前过程（Caricchi等人，2021）。最近的研究表明，硅质岩浆在喷发前通常以“晶体糊状物质”的形式储存在地壳储库中。这些岩浆的有效喷发与晶体糊状物质的复杂重新激活过程密切相关（Cashman等人，2017）。富晶质和贫晶质火山岩通常被认为是岩浆糊状物质重新激活的产物，它们在晶体比例、微观结构和成分上的变化被广泛视为研究岩浆糊状物质分解和深部晶体-熔体-挥发物相互作用的天然档案（Bachmann，2004；Bo等人，2023；Zhao等人，2025）。因此，系统地研究它们的形成机制可以为我们提供关于硅质岩浆系统中晶体糊状物质重新激活的关键见解，并阐明硅质火山喷发的机制。然而，关于它们的形成机制和遗传关系仍存在争议。现有模型提出，这两种类型的火山岩可能是：（i）单一岩浆储库中不同演化阶段的产物（例如，美国加州的Bishop Tuff；Hildreth和Wilson，2007），（ii）不同的独立岩浆事件（例如，最年轻的Toba Tuff；Wang，2023；Wilson等人，2021），或（iii）来自不同源区的岩浆输入（例如，黄石公园的Huckleberry Ridge Tuff；Swallow等人，2019）。

EKOB位于青藏高原北部边缘，记录了从古特提斯洋到新特提斯洋的多次俯冲-碰撞-伸展循环，其特征是普遍的岩浆活动和变质作用。因此，它是研究古特提斯洋演化及大陆地壳分化的天然实验室（Mo等人，2007；Xu等人，1996）。在EKOB东部的Dulan地区，暴露出了大量的三叠纪中酸性火山岩。这些岩石包括富晶质和贫晶质火山岩等多种岩石类型，因此是研究酸性岩浆系统演化的理想对象。以往的研究主要集中在这些火山岩的年龄、地球化学特征和构造背景上（Liu等人，2025；Ma等人，2015；Zou和Ma，2024）。然而，富晶质和贫晶质火山岩之间的遗传联系及其相关的深部岩浆演化仍知之甚少。本文对Dulan地区的富晶质和贫晶质火山岩进行了地质年代学、岩石学、全岩地球化学以及原位锆石-磷灰石-石英组成的综合研究，旨在系统地约束岩浆来源和这两种火山岩类型的遗传机制，为理解酸性岩浆系统中岩浆糊状物质的重新激活过程及其控制因素提供关键基础。

章节片段

地质背景和样品描述

EKOB通常被视为中国中央造山带的西段（图1a和b；Xu等人，1996）。它东邻秦岭造山带，西接NE走向的Altyn Tagh断层，北靠柴达木盆地，南接巴颜喀拉地块（图1a；Chen等人，2017）。EKOB的形成与A'nymaqen古特提斯洋的闭合以及随后柴达木块体与羌塘/巴颜喀拉地块的碰撞有关

分析方法

基于详细的野外调查和岩石学分析，选择了新鲜且均匀的样品进行锆石分离及后续分析。

使用传统的重液和磁选技术提取了晶体形态保存良好且无包裹体的锆石颗粒，然后在双筒显微镜下进行手工挑选。通过透射光和阴极发光（CL）图像来表征锆石颗粒的内部结构

锆石U-Pb年龄和微量元素组成

采用LA-ICP-MS方法分析了富晶质和贫晶质火山岩的锆石U-Pb地质年代学和微量元素组成。共分析了48颗锆石颗粒和48个测试点，涵盖了两种岩石类型。详细的分析结果和计算参数列在补充表1和补充表2中。

讨论

在以下讨论中，我们将全岩地球化学与原位锆石-磷灰石-石英化学相结合，以约束富晶质和贫晶质火山岩的形成机制及其遗传关系，并进一步阐明深部岩浆储库中的演化过程。

结论

（1）研究区域的富晶质和贫晶质火山岩主要由流纹质凝灰岩组成，锆石U-Pb年龄介于2.40至2.42 Ma之间，代表了中三叠世的岩浆活动产物。

（2）母岩浆是由基性岩浆俯冲引起的下部地壳成分的部分熔融形成的。岩浆储库中的岩浆糊状物质重新激活和两阶段的晶体-熔体分离过程产生了富晶质火山岩。

作者贡献声明

张梦宇：撰写——初稿，可视化，软件使用，调查，正式分析。刘斌：撰写——审稿与编辑，监督，资源获取，项目管理，方法学研究，调查，资金获取，正式分析，数据管理。马长倩：方法学研究，调查，资金获取。薛振华：调查。孙阳：调查。李艳青：调查。张瑶瑶：可视化，软件使用。吴鸾：可视化，调查。李世泽：

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

刘斌报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号42572055、42130309和41502050）、中国地质调查局 granite岩浆成因与矿化研究中心开放基金（编号PMGR202507）、长江大学重点学科开放基金（2019KFJJ0818017）以及长江大学青年基金（项目编号2015cqn29）的财政支持。我们感谢Ke Gao、Gui-Zhi Huang、Huai Xiong、Quan-Cheng Lian和Kai-Pei Lu的支持