钾质碱性岩一般形成于后碰撞、裂谷或板内构造环境，被认为是受交代的岩石圈地幔低程度部分熔融的产物。很多具有经济价值的矿产如Cu、Au和稀土元素等成矿与碱性岩及其演化相关。其中亲铜元素的活动性与硫化物稳定性相关，主要受到氧逸度的控制。因此揭示源区组分和岩浆过程对碱性岩浆氧逸度的影响是我们研究其元素迁移与成矿的关键。

源区组分对岩浆氧逸度起着重要作用。很多位于俯冲带上的钾质碱性岩被认为受来自俯冲板片的氧化熔体或流体交代的地幔熔融形成。这些氧化壳源物质可能会氧化地幔从而形成氧化的碱性岩浆。除了源区组分，岩浆过程同样会影响其氧逸度。封闭体系中，富Fe²⁺矿物如橄榄石和单斜辉石结晶分异可能会提高氧逸度。然而开放体系过程如岩浆脱气和混合作用会对岩浆氧逸度造成更加复杂的影响。要研究源区组分和岩浆过程对碱性岩氧逸度的影响，含有变价元素的矿物起着重要作用。比如一些早期结晶矿物中的包裹体（如重晶石）可以用来反映原始岩浆的氧逸度。此外锆石和磷灰石等矿物氧逸度计可以重建岩浆氧化还原态。比如磷灰石和硅酸盐熔体中的S的配分主要取决于S的价态。岩浆中S⁶⁺相容于磷灰石，而S^2-不相容于磷灰石，因此磷灰石中的S含量和氧化态可以作为熔体氧化态的指示计。然而，全岩尺度的研究有时很难把变化的熔体氧逸度和复杂的岩浆过程相联系。要解决这个问题，需要从矿物尺度的元素和同位素角度进行细致研究。

针对上述科学问题，中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队博士生虞凯章在导师刘勇胜教授的指导下，选取华北克拉通北缘的三叠纪包头东钾质碱性岩为研究对象，结合矿物学、全岩和单矿物主微量及Sr-Pb-Cu同位素地球化学工作，取得了以下认识：

（1）碱性岩由正长辉石岩、辉石正长岩和正长岩组成，其有着相似的矿物组合和微量元素特征。碱性岩富集大离子亲石元素亏损高场强元素，具有富集的Sr-Nd同位素特征，并含有原生方解石，表明岩浆富集CO₂，其地幔源区可能受到再循环的碳酸盐化沉积物交代。

（2）在碱性岩早期结晶的自形单斜辉石和磷灰石中含有磁铁矿-赤铁矿包裹体，再加上霓辉石和重晶石等氧化矿物，表明原始岩浆具有高氧逸度。此外，早期结晶的磷灰石具有高S含量（0.64 wt.%），对应着原始岩浆的ΔFMQ至少高于+3（图1 a和b）。俯冲的碳酸盐化沉积物可能氧化地幔，从而形成高氧逸度的碱性岩。

（3）一些辉石正长岩中发现富Cu硫化物包裹体的磷灰石，硫化物平行于磷灰石C轴。与其它岩性中贫包裹体磷灰石相比，富包裹体磷灰石具有较低的S含量和高Mn含量，而且从核到边，SO₃含量减少，Mn含量增加，对应着氧逸度减少约2个对数单位（图1b和c）。虽然量化氧逸度和磷灰石S含量关系过程中的一些假设较为松散，但是我们的模拟计算表明碱性岩磷灰石S含量的变化反映了碱性岩浆从氧化到还原的转变。

（4）富包裹体磷灰石中的富Cu硫化物形成于还原事件。与其它岩性相比（+0.30到+0.43‰），含富包裹体磷灰石的辉石正长岩（−0.06到−0.24‰）和这些磷灰石中富Cu硫化物（−0.26‰）的Cu同位素明显要轻，表明了这些硫化物可能来自岩浆同化过程中的外来物质（图2）。这些辉石正长岩中具有变化⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的榍石和高²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb边部的环带长石，显示还原的外来物质来自于古老地壳（图1d和图2）。总之，原位矿物分析和Cu同位素把碱性岩浆从氧化到还原的转变和源区组分与岩浆过程相联系，提升了对元素迁移和分配的理解。

图1. （a）磷灰石S含量和全岩SiO₂变化图解；（b）对比测试的磷灰石S含量和模拟的不同氧逸度下磷灰石S含量；（c）富包裹体磷灰石S和Mn元素含量环带；（d）含富包裹体磷灰石碱性岩（GPS）中的钾长石原位Pb含量和Pb同位素环带。OP:正长辉石岩，GPS：灰色辉石正长岩，S：正长岩。

图2. 含贫包裹体磷灰石碱性岩（RPS）和含富硫化物包裹体磷灰石碱性岩（GPS）的全岩和原位Sr-Cu同位素成分变化图解。

研究成果近期发表于国际期刊《Lithos》上，该项研究成果获得了国家自然科学基金（41530211），地质过程与矿产资源国家重点实验室专项基金（MSFGPMR01）和111计划（BP0719022）资助。

论文信息：Yu, Kaizhang, Liu, Yongsheng*, Foley, Stephen F., Zhu, Yangtao, Hu, Zhaochu, Zong, Keqing, Chen, Haihong, 2021. Transformation from oxidized to reduced alkaline magmas in the northern North China Craton.Lithos 390-391 106104. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2021.106104