地幔交代作用中金云母单斜辉石岩部分熔融实验：对钾镁煌斑岩成因的启示

《Mineralogical Magazine》：Mantle sources of kamafugitic magmas: insights from partial melting experiments on phlogopite clinopyroxenite and clinopyroxene glimmerite

本研究针对钾镁煌斑岩（kamafugite）的成因难题，通过开展2.7–5 GPa高压部分熔融实验，模拟地幔中金云母单斜辉石岩（phlogopite clinopyroxenite）和单斜辉石云母岩（clinopyroxene glimmerite）的熔融过程。实验结果表明，高程度部分熔融（>50%）产生的熔体成分与天然钾镁煌斑岩高度吻合，揭示其源区为富集挥发分的交代地幔岩脉。该研究首次系统论证了副矿物（磷灰石、钛铁矿等）对熔体TiO2、P25等关键组分的控制作用，为理解大陆板内超钾质岩浆的成因提供了关键实验约束。

　　

地球的岩石圈地幔主要由不含挥发分的橄榄岩组成，但其中常散布着一些特殊的“异物”——富含水或碳酸盐的交代岩脉。这些岩脉是地幔经历流体或熔体改造的产物，被认为是大陆内部一些奇特岩浆的“幕后推手”。尤其是那些贫硅（SiO₂）、富钾（K₂

为了验证这一假说，由Francesca Innocenzi领衔的国际研究团队在《Mineralogical Magazine》上发表了这项研究。他们选取了来自乌干达Toro Ankole（TA）、巴西Alto Paranaiba（APIP）和意大利Intra-Apennine（IAP）三个典型钾镁煌斑岩区的源岩模型作为实验起始物质，利用活塞圆筒（piston cylinder）和多砧（multi-anvil）高压设备，在2.7和5 GPa压力、1200–1550°C温度范围内，开展了一系列部分熔融实验。研究通过扫描电镜（SEM）和电子探针（EMPA）对实验产物中的熔体（玻璃）和残余矿物进行了精细的化学成分和形貌分析。

实验设计与方法

研究团队设计了三种不同的起始物质来模拟推测的地幔源区：1) TA模型：金云母单斜辉石岩+磷灰石（apatite）+钛铁矿（ilmenite）+磁铁矿（magnetite）+榍石（titanite）；2) APIP模型：橄榄石（olivine）单斜辉石岩+金云母+磷灰石+钛铁矿；3) IAP模型：单斜辉石云母岩+磷灰石+磁铁矿。实验在2.7 GPa（使用活塞圆筒仪）和5 GPa（使用多砧压机）下进行，温度间隔为50°C，恒温时间10-12小时，随后淬火以保留高温熔体结构。对回收的样品进行环氧树脂镶嵌、抛光后，采用配备能谱仪（EDS）的扫描电镜进行定量化学分析和矿物分布图谱绘制。

实验结果

1. 低程度熔融产生极端组分熔体

在较低温度（1250–1350°C）和低熔融程度（<50%）下，实验产生的熔体具有异常低的SiO₂（可低至21.6 wt%）和极高的TiO₂（最高15 wt%）、P2₅（最高7.4 wt%）和CaO（最高18 wt%）。

这种极端成分主要源于磷灰石、榍石、钛铁矿等副矿物的优先熔融。尽管自然界尚未发现与此完全对应的岩浆，但这种熔体可能在上地幔的再富集（re-fertilization）事件中扮演重要角色。

2. 高程度熔融再现钾镁煌斑岩特征

随着温度升高至1350–1550°C，熔融程度增加至50–90%，熔体成分发生系统性演变。SiO₂含量升高，TiO₂和P2₅因副矿物耗尽而降低，而K2₂、MgO、K22₅）与乌干达、巴西的天然钾镁煌斑岩高度重叠。

5 GPa下的实验熔体在1450–1550°C时也与天然岩石成分接近，尽管TiO₂普遍偏高，可能与实验所用金云母的Ti含量较高有关。

3. 源区矿物组成控制熔体多样性

实验表明，熔体成分对源区矿物模式组成极为敏感。TA实验（无橄榄石）产生的熔体MgO含量与天然TA钾镁煌斑岩吻合，支持其源区可能缺乏橄榄石。APIP实验（含橄榄石）熔体的MgO与TA实验相似，说明橄榄石在低熔融程度下对熔体贡献有限。IAP实验熔体的MgO低于天然样品，暗示其源区可能含有少量高镁橄榄石，或经历了与围岩（如碳酸盐岩）的反应。

钠（Na₂

4. 副矿物的关键作用

磷灰石（<3 wt%）、榍石（<4 wt%）和钛铁矿（<5 wt%）等副矿物虽然含量低，但对熔体的P_{25和TiO2含量起着决定性作用。天然钾镁煌斑岩的TiO2变化范围（3.0–9.5 wt%）可以通过调整这些副矿物的比例和熔融程度来合理解释。}

结论与意义

本研究通过高压高温实验证实，富含金云母和单斜辉石的地幔交代岩脉（如金云母单斜辉石岩、单斜辉石云母岩）发生高程度部分熔融（>50%），是产生钾镁煌斑岩这类超钾质、超钙质岩浆的有效机制。实验成功再现了天然钾镁煌斑岩的主要地球化学特征，强调了源区矿物组成（尤其是金云母/单斜辉石比例和副矿物种类）和熔融程度对最终岩浆成分的联合控制。这不仅为理解东非裂谷、巴西和意大利等地的钾镁煌斑岩成因提供了坚实的实验证据，也深化了对地幔不均一性、板内岩浆作用以及壳幔相互作用过程的认识。低程度熔融产生的极端富Ti、P熔体，则可能是地幔中重要的 metasomatic agents（交代介质），对理解地幔的化学分异和演化具有重要意义。