堿性巖通常分布在造山帶和板內裂谷背景下，雖然占比很少，但是蘊含著豐富的巖漿起源和構造演化等關鍵信息。正長巖是堿性巖中最典型的代表之一，其成因是有高度爭議的，主要觀點有地幔低程度部分熔融、幔源巖漿結晶分異、巖漿混合和晶體堆積等機制。然而，由于地殼混染和巖漿混合的潛在影響，很難從全巖成分判斷地幔源區(qū)熔融還是殼內分異控制著堿性元素（K₂O和Na₂O）含量。正長巖中的礦物記錄了堿性巖漿從起源到侵位的全過程，因此，通過對各巖漿演化階段的礦物分析，可以評估不同機制的影響程度，從而確定正長巖的主要成因方式。

針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所博士生馬建鋒在趙太平研究員指導下，選取華北克拉通南緣1772 Ma三元溝正長巖開展了詳細的礦物結構、化學成分與熱力學模擬研究。該正長巖主要礦物組成是單斜輝石、鉀長石、石榴石和榍石，單斜輝石和石榴石具有豐富的礦物環(huán)帶，表明巖漿混合發(fā)揮了重要作用（圖1）。通過計算不同階段的單斜輝石平衡熔體的主微量元素含量，獲取了堿性巖漿從起源到侵位的地球化學信息。高Mg^#(>85)單斜輝石的平衡熔體具有高Mg^#、CaO/Al₂O₃和低Hf/Sm的特征，展現(xiàn)出碳酸鹽交代地幔的親和性，微量元素質量平衡模型表明，石榴石-尖晶石過渡地幔低程度(1%~2%)部分熔融可以產(chǎn)生這些高Mg^#熔體（圖2）；通過alphaMELTs模擬高Mg^#平衡熔體的結晶分異過程，發(fā)現(xiàn)無論在何種壓力和水含量下都無法匹配其余平衡熔體的化學成分，說明單一的結晶分異過程不能解釋正長巖的成因（圖3）。低Mg^#單斜輝石平衡熔體具有低Mg^#值，是地殼物質重熔的產(chǎn)物，質量平衡計算結果表明10%~30%的長英質熔體參與混合可以形成正長巖（圖4）。然而，巖漿混合與結晶分異過程無法解釋全巖的K₂O、CaO等變化，暗示仍有其它機制參與控制。正長巖中鉀長石相互連接形成晶體框架，具有堆晶結構，且全巖Eu^#高于1，表明鉀長石堆晶也是控制K₂O含量的機制之一。單斜輝石濕度計顯示高Mg^#平衡熔體具有高水含量(>4 wt%，圖5)，在模擬過程中發(fā)現(xiàn)高水含量可以抑制長石的結晶，從而導致熔體中K₂O、Na₂O含量的再次升高（圖6），最終在淺部地殼發(fā)生長石堆晶，這也解釋了為什么堿性熔體無法突破演化的“熱障”。上述工作表明，地幔源區(qū)的部分熔融、殼內巖漿演化、巖漿混合、晶體堆晶過程都會控制堿性熔體的成分變化以及正長巖的形成。

以上研究成果發(fā)表在巖石學國際權威期刊Journal of Petrology上。相關的論文信息：

Jian-Feng Ma (馬建鋒),Tai-Ping Zhao^* (趙太平^*),Tong Hou (侯通),Chuan-Hao Qu (瞿川豪). Mineral Textures and Chemistry Trace the Origin and Transcrustal Evolution of the Sanyuangou Syenite in Southern North China Craton. 2024,65,egae056. https://doi.org/10.1093/petrology/egae056.

圖1 三元溝正長巖礦物結構特征

圖2 高Mg^#單斜輝石平衡熔體主微量元素揭示地幔源區(qū)特征

圖3 三元溝正長巖全巖、單斜輝石平衡熔體主量元素特征以及alphaMELTs模擬主量元素變化

圖4 三元溝正長巖全巖微量元素特征與混合模型

圖5 單斜輝石溫度、壓力及平衡熔體水含量

圖6 熔體水含量與巖漿混合控制熔體中K₂O+Na₂O含量變化