高度污染的岩浆通过厚厚的大陆地壳上升过程中形成的机制：以安第斯山脉中部的Sairecabur火山为例

《Journal of South American Earth Sciences》：Petrogenesis of a highly contaminated magmas by ascent through a thick continental crust: The case of Sairecabur volcano, Central Andes

岩浆分异与地壳同化对智利中安第斯Sairecabur火山SiO2含量及Sr同位素比值（0.707-0.709）的影响显著，挑战传统厚地壳火山岩浆 garnet 分异假说。

　　
中安第斯造山带Sairecabur火山岩浆演化与地壳作用机制研究

一、研究背景与科学问题
中安第斯火山带作为南美 Nazca板块向南美板块俯冲（倾角约30°）的产物，形成了全球最典型的陆缘火山弧系统。该区域地壳厚度达50-70公里，具有独特的分层结构：上层为富含长英矿物的酸性层（厚度约25公里），下层为富含铁镁矿物的基性层（厚度20-30公里）。这种特殊构造环境导致火山岩浆演化过程具有显著的复杂性。

研究团队针对位于Altiplano-Puna火山复合体（APVC）核心区域的Sairecabur火山展开系统研究。该火山构造保存完整，包含三个时代层状结构：前火山期（PRECL）晚更新世熔岩、初火山期（POCIL）全新世早期熔岩和次火山期（POCIIL）全新世晚期熔岩。其SiO?含量在55-63%之间，呈现典型安第斯型钙碱质火山岩特征。

二、地质演化框架
研究构建了三维地质演化模型：垂向上涵盖浅层（10-25公里）的APMB熔融层与深层（25-70公里）基性层；平面上体现火山弧东西延伸差异（西段厚达70公里，东段仅20公里）；时间维度上贯穿晚新生代（2.5百万年前至今）的持续火山活动。

地壳增厚过程（始于约26百万年前）对岩浆系统产生双重影响：一方面，深层基性熔融体通过分异结晶形成富长英矿物的中间层，促进岩浆酸度演化；另一方面，地壳物质循环（每年约1.5立方公里）导致同化作用增强，形成具有特殊Sr同位素特征（0.707-0.708）的熔岩体系。

三、岩浆分异作用机制
1. 初期分异阶段（PRECL单位）
岩浆在浅层（<15公里）经历初步结晶，形成以斜长石（An32-48）和单斜辉石（En65-70）为主的矿物组合。光学显微镜显示5-15%的基质含量，说明分异程度较低。XRF分析显示SiO?含量稳定在58-60%，Sr/Y比值<30，Sm/Yb<4，这些参数表明熔体处于弱分异状态。

2. 中期 AFC过程（POCIL单位）
在APMB熔融层（厚度4-15公里）中，经历33-47%的地壳同化作用。典型特征包括：
- 斜长石出现板状双晶（晶粒尺寸200-500微米）
- 基质中普遍发育5-15%的异质矿物（包括钾长石和黑云母）
- Sr同位素比值升高至0.707-0.708
- Eu/Eu*比值下降至0.8-0.9区间

3. 晚期混合作用（POCIIL单位）
伴随浅层地壳熔融体（厚度<5公里）的加入，形成独特的"混合岩浆"特征：
- 玻璃质含量达25-35%
- 基质中出现50-80微米的正交辉石和透辉石
- Eu/Eu*比值降至0.6-0.7
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四、地壳同化作用动力学
研究揭示地壳同化存在明显分层特征：
1. 浅层同化（<15公里）：以富长英质岩石为主（同化量33-47%）
2. 中层同化（15-25公里）：基性岩石同化占比提升至60-70%
3. 深层影响（>25公里）：出现 garnet残留（含量<5%）的岩浆指纹

同化过程导致熔体Sr同位素比值显著抬升（0.705→0.708），而Eu/Eu*比值同步下降（0.8→0.6），形成独特的"双异常"特征。地震层析成像显示，在火山下方存在直径约20公里的APMB熔融层，其热液活动通过地壳柱化作用（ crustal column assimilation）将深部基性物质带入浅层熔体系统。

五、火山演化阶段划分
1. 熔体形成阶段（前火山期）
- 原始岩浆SiO?含量约53%
- 首次分异形成辉石岩浆库（深度>25公里）
- 同化量<5%，Sr同位素0.695-0.697

2. 上升分异阶段（初火山期）
- 深度降至15-25公里
- garnet残留体（5-10%）导致Eu/Eu*下降
- AFC过程使SiO?升至60-62%
- Sr同位素0.702-0.705

3. 浅层混合阶段（次火山期）
- 深度<10公里
- 浅层熔融体（20-30%同化量）导致：
- SiO?峰值达63%
- Eu/Eu*比值<0.6
- Sr同位素0.707-0.708
- 形成具有斑状结构的玻璃质熔岩

六、构造-岩浆耦合机制
研究建立新的"构造-岩浆"耦合模型：
1. 俯冲带滑动触发深部熔融
2. APMB熔融层作为热源驱动上升
3. 浅层同化导致熔体化学组成阶梯式变化
4. 地壳增厚过程（每年增厚0.5-1毫米）影响岩浆上升路径

通过SHRIMGE模拟显示，当岩浆上升速率超过8厘米/天时，会触发与浅层地壳（>5公里）的强烈相互作用。这种动力学过程解释了为何Sairecabur火山在晚阶段（POCIIL）出现显著的矿物包裹体（如磁铁矿透镜体）和化学指纹（Dy/Dy*<1）。

七、与区域火山系统的对比
研究将Sairecabur火山特征与周边火山进行对比：
1. 与Villarrica火山（63°S）相比：
- 熔体上升深度差达40公里
- 同化量差异（Sairecabur 30-40% vs Villarrica 15-25%）
- Sr同位素差异（0.707 vs 0.698）

2. 与Calama火山（21°S）对比：
- 深层分异（>25公里）导致更高的CaO含量（12-14% vs 10-12%）
- 浅层同化作用更显著（40-50% vs 30-40%）

3. APMB熔融层的影响：
- APMB中心区域熔岩厚度增加200%
- 熔体SiO?含量波动范围扩大（±3%）
- Eu/Eu*比值降低幅度达30-40%

八、研究创新点
1. 首次揭示"浅层同化-深层分异"的耦合机制
2. 建立地壳增厚速率（0.5-1 mm/yr）与岩浆化学演化的定量关系
3. 揭示APMB熔融层对火山岩地球化学的屏蔽效应
4. 提出"阶梯式同化"模型（浅层20-30% + 中层15-25% + 深层5-10%）

九、应用价值与理论贡献
1. 验证了大陆内部火山弧深部熔融-浅层同化的二元驱动模型
2. 为理解环太平洋火山带（如日本、夏威夷）的地壳作用机制提供新思路
3. 提出地壳增厚速率与岩浆硅酸化程度的负相关关系（r=-0.82）
4. 建立Sr同位素比值梯度（每公里0.0001-0.0003）的地壳分异模型

十、研究展望
1. 开展APMB熔融层地球物理-地球化学联合研究
2. 建立三维岩浆房演化模型（空间分辨率500米）
3. 探索地壳流体循环对岩浆氧化的控制作用
4. 研究俯冲带水-岩反应对深部熔体的熔融效率影响

该研究系统揭示了厚壳俯冲带火山弧的岩浆演化机制，特别是地壳同化与分异过程的时空耦合关系。通过建立"深部分异-浅层同化-地表混合"的三阶段演化模型，为理解大陆造山带火山活动提供了新的理论框架。研究提出的"地壳增厚速率-岩浆硅酸化程度"定量关系，对于预测火山喷发强度具有重要指导意义。