流纹质火山作用往往伴随着剧烈的火山爆发，可以产生严重的社会灾害。流纹质岩浆通常来源于上地壳岩浆储库，该储库中主要包含早期结晶的矿物晶体和矿物粒间的高硅流纹质熔体（合称为晶粥体）；将高硅熔体从岩浆储库中抽离出来是流纹岩火山喷发前的主要深部过程（Bachmann and Bergantz, 2004; Hildreth, 2004）。抽离的流纹质岩浆经火山通道喷出地表形成火山岩，包含堆晶的残余相经冷却则形成侵入岩，两者组成上具有互补关系（Bachl et al., 2001）。目前，对流纹质岩浆成因模型争论的焦点主要集中在对岩浆积聚、上地壳驻留和随后熔体抽离时间尺度的理解（Schaen et al., 2021）。以前主要通过火山喷发产物来开展该方面研究，这不利于对火山作用（火山岩）和侵入作用（侵入岩）成因联系的理解，并限制了完整统一模式的建立。
隆升剥露的浅成相侵入体可能保存了地壳内高硅熔体分离过程的深部记录，对该类侵入体的深入研究，有助于从次火山岩角度理解流纹岩的形成过程，并有利于比较岩浆储库中长期熔体积聚和短期熔体抽离之间的时间尺度。位于智利科迪勒拉山系晚中新世（7.2～6.2 Ma）的Risco Bayo-Huemul (RBH) 深成杂岩保存了镁铁质岩浆到流纹岩及其互补的堆晶岩的完整岩石分异序列，是研究该类问题的理想对象。美国威斯康星大学麦迪逊分校Allen J. Schaen教授及其合作者首先利用全岩成分质量平衡计算，提出Huemul岩体内部的岩性差异与熔体抽离作用下的残余晶体浓度有关，Huemul碱性花岗岩是从晶粥体中抽离的高度演化的流纹质熔体的结晶产物，而富Zr、Ba且无Eu异常的石英二长岩代表了分异作用的互补残余堆晶（Schaen et al., 2017）。进一步工作中，他们通过精细显微结构和原位矿物成分分析来验证了硅质堆积假说,并指出挥发分和熔体能够穿过下伏的晶粥体发生运移 （Schaen et al., 2018）。然后，这一研究团队利用磁化率的各向异性以及早期长石的优势取向，发现水平地壳构造缩短与流纹岩抽离同时代，提出构造作用抽离的熔体形成了高结晶度的晶粥体，而气体驱动的压滤作用是流纹岩在万年尺度上形成的主要机制 （Garibaldi et al., 2018）。这些研究对RBH深成岩体不同岩相的显微结构、化学成分、形成机制和动力学过程进行了讨论，但是这些开创性的研究始终缺少对深成岩体系内熔体抽离时间尺度的限定。
在上述工作基础上，Schaen团队再次对RBH深成杂岩开展研究，包括详细的岩石学、矿物学和地球化学分析，系统地提出了高硅流纹质熔体抽离模型，并用U-Pb年代学（结合年龄和成分分析）和40Ar/39Ar热年代学检验了其时间和热可行性。新的研究表明，较老的Risco Bayo岩体是脉冲式侵位的基性-中性岩浆的混合，这些岩浆批次对上地壳进行了热启动，从而促进了随后Huemul岩体中高硅质熔体抽离（Schaen et al., 2021）。相关研究成果发表在Science Advance上。
CA-ID-TIMS测试分析发现，Risco Bayo岩体锆石结晶跨度约为24万年，介于7.193 ± 0.014 ～ 6.956 ± 0.053 Ma。Huemul岩体从石英二长岩到高硅花岗岩，跨度约19万年，介于6.384 ± 0.022 Ma ～ 6.199 ± 0.022 Ma。微量元素分析显示：随着锆石年龄的降低，微量元素Y浓度，包括除Eu外的所有稀土元素（REE），在Risco Bayo样品中降低，在Huemul样品中增加（图1A）。这些锆石的Y变化趋势，连同Yb/Dy（图1B）的狭窄范围，反映了Huemul岩体中存在类似的分离结晶趋势，这表明熔体是从共同的母岩浆演化而来的。RBH岩石和矿物中的Eu/Eu*趋势（图1C和D）是长石分离和堆晶的判断依据。作者利用锆石的微量元素以及锆石-熔体分配系数重新估算了与锆石相平衡的熔体元素组成，将其与Huemul的全岩分离结晶模型（Schaen et al., 2017, 图1D中的紫色带）相比较。高硅花岗岩与这些不同岩相锆石之间的成分差距（图1D）清楚地表明其存在一个短暂的过程，如流纹质熔体抽离。进一步的研究中，作者们根据微量元素分析分离了这些特殊的高硅花岗岩锆石，并对这个测量到的U-Pb年龄群体进行了统计自举（随机抽样和替换）。然后将该方法的最小和最大自举年龄之差作为模拟的平均锆石结晶持续时间，平均持续时间为13.2万年。高硅花岗岩区域的体积在34 km3到112 km3之间（假设厚度1.2～4 km），据此估算的熔融通量为0.00017 ～ 0.0015 km3/yr。
图1 锆石的U-Pb、CA-ID-TIMS-TEA分析结果。(A)Y；(B)Yb/Dy；(C)平衡熔体的Eu/Eu*；(D)虚线框内随时间推移的Huemul岩体平衡熔体Eu/Eu*组成的详细视图。紫色带代表全岩分离结晶模型中熔体的Eu/Eu*范围。绿色线条代表Risco Bayo斑状闪长岩样品的锆石U-Pb年龄范围
结合上述讨论，Schaen团队提出了一个多相/多尺度的岩体侵位模型来模拟Huemul岩浆储集层演化和熔体抽离（图2），并将该方法扩展到三维，以解释不同岩体的空间分布（图3）。用一个40 km×40 km×60 km（水平方向为40 km）的区域来包含区域热演化，其中熔体抽离速率是使用局部熔体性质、熔体分数和熔体与晶体之间的阻力关系来计算的（图3）。岩石/热年代学和数值模拟共同对熔体抽离施加了时间和热量上的约束，结果显示大约50 km3的流纹岩是从上地壳晶粥体中抽离出来的，在130万年（图2）内形成了Huemul岩体，深度可达3.5 km，平均岩浆冷却速率约为600 °C/Ma。
图2 根据岩体侵位的数值模拟得出的熔体体积和时间尺度。(A)岩体侵位的有限元数值模拟。圆形表示给定模拟的全部可抽离熔体，而正方形仅表示同一模拟的锆石饱和的可抽离熔体（由相同的颜色表示）。灰色水平线条是锆石年龄分布情况（正方形为平均值，误差为1σ SD）；(B)使用图1D中分离的高硅花岗岩锆石，比较数值模拟产生的锆石结晶持续时间（绿色）和由测量的TIMS数据的自举群体产生的平均结晶持续时间（粉红色）。绿色分布来自(A)中的48 km3熔体模拟
图3 与地质、锆石年代学和数值模拟有关的Huemul岩体熔体分离观测汇编。(A)对RBH岩体侵入过程（侵入位置显示为蓝色透明表面）进行宏观模拟，叠加数字高程模型指示相对位置；(B)Huemul岩体的地质剖面；(C)图1D中分离的、与(B)中的截面B-B‘近似的熔体抽离所得的锆石化学分类的示意图；(D)利用从岩浆储集层模拟中提取的信息，相对速度是通过阻力和浮力来计算的；(E)锆石饱和模型（Schaen et al., 2017）。锆石饱和实验与流纹岩-熔体模型相结合，计算出锆石饱和所需的Zr浓度（黑线）。并利用流纹岩-熔体模型的主量元素含量计算了M参数（蓝线）、Zr熔体曲线（绿线）
间隙熔体抽离是从上地壳岩浆储集层中产生多种类型流纹岩的一种重要方式。这项研究发现，这一过程不仅可以形成相应深成岩，还可以在短暂的时间尺度上发生，同时仍然保持典型的缓慢的长期侵位速率。这证实了熔体抽离是一种可行的上地壳分异过程，可以同时产生流纹岩和高硅花岗岩。浅层的深成岩体系在未来的火山领域研究中有着重要的作用。
【致谢：感谢长安大学陈璟元和岩石圈室刘小驰副研究员的宝贵修改建议。】
主要参考文献
Bachl C A, Miller C F, Miller J S, et al. Construction of a pluton: Evidence from an exposed cross section of the Searchlight pluton, Eldorado Mountains, Nevada[J]. Geological Society of America Bulletin, 2001, 113(9): 1213-1228.
Bachmann O, Bergantz G W. On the origin of crystal-poor rhyolites: extracted from batholithic crystal mushes[J]. Journal of Petrology, 2004, 45(8): 1565-1582.
Garibaldi N, Tikoff B, Schaen A J, et al. Interpreting granitic fabrics in terms of rhyolitic melt segregation, accumulation, and escape via tectonic filter pressing in the Huemul pluton, Chile[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(10): 8548-8567.
Hildreth W. Volcanological perspectives on Long Valley, Mammoth Mountain, and Mono Craters: several contiguous but discrete systems[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2004, 136(3-4): 169-198.
Schaen A J, Cottle J M, Singer B S, et al. Complementary crystal accumulation and rhyolite melt segregation in a late Miocene Andean pluton[J]. Geology, 2017, 45(9): 835-838.
Schaen A J, Singer B S, Cottle J M, et al. Textural and mineralogical record of low-pressure melt extraction and silicic cumulate formation in the late Miocene Risco Bayo–Huemul plutonic complex, southern Andes[J]. Journal of Petrology, 2018, 59(10): 1991-2016.
Schaen A J, Schoene B, Dufek J, et al. Transient rhyolite melt extraction to produce a shallow granitic pluton[J]. Science Advances, 2021, 7(21): eabf0604. (原文链接)
（撰稿：陈厚彬，纪伟强/岩石圈室）
