地球具有太阳系中独一无二的硅铝质大陆地壳。大陆地壳的生长机制和演化历史是地球科学领域的基础问题。俯冲带岩浆作用被认为是大陆地壳生长的主要方式，因此，俯冲带岩浆（即弧岩浆）的成因机制长期以来受到学界的广泛关注。然而，弧岩浆的化学成分复杂多样，使得认识其岩石学成因机制以及不同岩浆弧在大陆地壳生长过程中扮演的角色存在诸多挑战。其中最显著的成分多样性体现在不同的弧岩浆呈现有不同的Fe演化趋势。一些弧岩浆的Fe含量随着岩浆分异先升高后降低，与洋中脊的岩浆类似，属于拉斑系列岩浆；而另一些弧岩浆的Fe含量则出现随分异一直降低的趋势，属于钙碱性岩浆系列。目前对于这些不同Fe演化趋势的岩石学机制还存在很多争议，其中争议的焦点是钙碱性弧岩浆的早期Fe亏损是由磁铁矿分异引起还是石榴石（±角闪石）分异所致。

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的陈康副研究员、胡兆初教授和刘勇胜教授与北京大学的唐铭研究员合作，利用已发表的分配系数构建了Fe-Ti-Mn-V、FeO_T/MnO、La/Yb和Dy/Yb等可以识别富Fe矿物（磁铁矿、石榴石、角闪石）分异的地球化学指标（图1）。其中，磁铁矿分异会导致岩浆Fe-Ti-Mn-V和FeO_T/MnO的同时降低，石榴石分异会导致岩浆La/Yb和Dy/Yb的同时升高，而角闪石分异会导致岩浆La/Yb的升高和Dy/Yb的缓慢下降。

图1. Fe/Mn、La/Yb和Dy/Yb的分配系数以及矿物的结晶分异对岩浆中这些地球化学指标的影响。Ol：橄榄石，Opx：斜方辉石，Cpx：单斜辉石，Amp：角闪石，Grt：石榴石，Mt：磁铁矿。

通过对全球22个俯冲带中的约30000个新生代火山岩的地球化学数据进行统计分析，根据Fe的演化趋势将岩浆弧分为钙碱性、拉斑系列和过度型三类，并结合前人的实验岩石学结果，发现：

1）岛弧地壳大多较薄（< 25 km），地壳深部的弧岩浆分异压力较低（< 0.8 GPa）。岛弧岩浆具有Fe含量随着分异先升高后降低的拉斑系列特征，且Ti-Mn-V的变化趋势和Fe类似（图2），FeO_T/MnO在MgO > 4-5 wt.%之前则没有明显变化，之后迅速降低。这些现象表明在拉斑系列岛弧岩浆演化过程中，磁铁矿在MgO = 4-5 wt.%时开始饱和分异。结合实验岩石学的结果，拉斑系列岛弧岩浆的早期（MgO > 4-5 wt.%）Fe富集主要是由于单斜辉石的分异导致，晚期的Fe亏损主要由磁铁矿的分异导致，其中角闪石可能也发挥了一定作用。

图2. 三类弧岩浆和洋中脊岩浆中Fe-Ti-Mn-V的演化趋势。

图3. 三类弧岩浆中FeO_T/MnO的演化趋势。

2）大陆弧地壳大多较厚（> 30 km），地壳深部的弧岩浆分异压力较高（> 1 GPa）。大陆弧岩浆具有Fe含量随着分异持续降低的钙碱性系列特征，但是V 和FeO_T/MnO在MgO > 4 wt.%之前并没有明显变化。这些特征表明磁铁矿在钙碱性大陆弧岩浆演化早期（MgO > 4 wt.%）并没有饱和，因此钙碱性弧岩浆早期的Fe亏损并不是由磁铁矿分异导致。高压和中压大陆弧（分别对应最厚和最薄的大陆弧，即~65 km和30-40 km）岩浆中的La/Yb和Dy/Yb的变化趋势（图4）以及实验岩石学的结果进一步表明，钙碱性大陆弧岩浆的早期Fe亏损在中压条件下是由斜方辉石分异导致，而在高压条件下是由石榴石结晶分异导致，从中压到高压条件，石榴石的作用越来越明显。磁铁矿对于大陆弧岩浆Fe亏损的作用只发生在大陆弧岩浆演化晚期（MgO < 4 wt.%）。

图4. 弧岩浆中La/Yb和Dy/Yb的演化趋势，其中钙碱性大陆弧岩浆又被分为高压和中压大陆弧两类，分别对应最厚和最薄的大陆弧，即~65 km和30-40 km。

3）钙碱性大陆弧岩浆的Fe-Ti-Mn-V含量与平均大陆地壳类似，都比拉斑系列岛弧岩浆的含量更低。此外，平均大陆上地壳的FeO_T/MnO、La/Yb和Dy/Yb都远远高于MgO ≤ 4 wt.%的岛弧岩浆，但都落在MgO ≤ 4 wt.%大陆弧岩浆的变化范围内。因此，我们的研究显示显生宙大陆地壳具有经历过高压分异的地球化学特征（石榴石分异），表明钙碱性大陆弧岩浆作用是形成显生宙大陆地壳的必经阶段。

上述研究工作近期发表在Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta中，陈康副研究员为第一作者和通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金（42073024）和湖北省自然科学基金创新群体（2020CFA045）等项目资助。

文章信息：Chen, Kang*, Tang, Ming, Hu, Zhaochu, Liu, Yongsheng, 2023. Generation of tholeiitic and calc-alkaline arc magmas and its implications for continental growth. Geochimica et Cosmochimica Acta 355 173-183. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.07.002

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