提起中酸性岩浆岩，大部分人可能很陌生，其实它们覆盖了这个星球的绝大部分陆地，以坚硬的花岗岩地板和猛烈的火山喷发走进我们的生活，还孕育了金铜铁等金属资源，提供工业化所需要的原材料。 

　　地质学家整天与这些石头打交道，尝试去理解他们多大了，从哪儿来，藏着什么秘密。一个非常有意思的问题是，成矿成岩作用是否也具有节律性。为了回答这一问题，李献华院士团队的李扬特聘研究员和英国杜伦大学的Mark Allen教授合作，对与成矿作用关系密切的热液石英开展了相关研究。石英的化学成分为二氧化硅，在白色的海滩上最为常见，通常被用来制作玻璃。当石英足够纯净漂亮时，则称为水晶，被做成首饰、器皿和摆件等。 

　　规则生长的石英会留下像树木年轮一样的环带（图1），借助电子显微镜就能清晰的看见。利用数树木年轮的思路，从核部到边部一环环阅读石英，就能理解石英是怎样长大的，在这个过程中又经历了什么。 

图1 树木的年轮和石英在电子显微镜下的环带

　　生长于岩浆热液体系中的石英，其氧同位素一般非常稳定。当热液体系的氧同位素发生显著改变时，如雨水加入，就会被石英记录下来，这是利用氧同位素研究其生长过程的基础。 

　　岩浆流体氧同位素大概是8‰左右，所以雨水的值与之差别越大，则这一过程更容易被识别出来。降雨有一个非常有意思的特征，即其氧同位素随着海拔升高而降低。例如，拉萨冬天的降雨可能低至-30‰，而北京大概可能仅有-10‰。显然，对形成时海拔较高的样品开展这一研究有先天的优势。 

　　采集自西藏知不拉矽卡岩铜矿的石英晶体一般厘米大小，在电子显微镜下表现出美丽的环带，包含四个阶段的生长过程（图2）。 

图2 知不拉石英的环带和四阶段生长过程

　　离子探针氧同位素分析显示，分析的石英晶体都在生长晚期出现氧同位素突然降低并再次升高的现象（图3）。第2-3阶段突然降低的氧同位素解释为雨水加入，而之后的上升则代表新一期岩浆流体注入。这些数据表明，石英生长时记录了一次雨水加入和至少两次岩浆流体注入的过程。因此，成矿作用具有节律性。 

图3 知不拉石英记录的氧同位素演化

　　进一步的工作则是厘定这一节律性的时间尺度。石英基本不含可用于定年的放射性元素，难以对石英开展精确的同位素测年，因此研究者采用了扩散年代学这一相对测年方法。扩散年代学是一门古老而又年轻的定年技术，蓬勃发展的微区分析技术让其在近年来焕发出强大的生命力。石英的环带就主要受铝、钛和锂等微量元素控制，越亮的环带一般铝等元素含量越高。受扩散作用影响，这些元素会从含量高的区域向含量低的区域扩散。扩散的程度主要受温度和时间控制，这构成扩散年代学的理论基础。如果时间足够长，这些环带就会被抹平。和放射性同位素测年给出某一过程发生的时间点不同，扩散年代学给出的是该过程的持续时间。 

　　扩散年代学理想的状态是测量含量高、且扩散快的元素。但对热液石英，钛和锂虽然扩散速度快，但含量太低，难以被准确测量，所以唯一的选择就是含量较高、但扩散极慢的铝。热液石英中的铝扩散通常发生在微米尺度，所以一般认为热液条件下石英中的铝基本不扩散。借助于纳米离子探针的图像扫描技术（图4），研究者成功在0.1微米尺度上实现了铝含量测试，第一次看见了低温条件下铝在石英中的扩散剖面（图4）。通过模拟计算，上述成矿作用的持续时间被约束在百年尺度。 

图4 石英Al含量分布特征及扩散模拟结果　　  

　　前面提到，雨水的氧同位素与海拔相关，这一相关性则可以用来研究古海拔。热液石英记录了极低的氧同位素组成使反演古海拔成为可能。基于一个简单的两端元混合模型计算出雨水的氧同位素组成后，进而计算得到知不拉所在地区的古海拔。结果显示17百万年前，知改区域的古海拔大约是6公里，比现今海拔高了大约1公里（图5）。这可能是俯冲于欧亚板块之下的印度板块在17百万年前后发生断离，上覆板片因为浮力的原因而发生了短暂的抬升（图5）。 

图5 知不拉石英记录的古海拔及可能的动力学机制　　  

　　研究成果发表于国际学术期刊Geology（李扬, Mark Allen, 李献华. Millennial pulses of ore formation and an extra-high Tibetan Plateau[J]. Geology, 2022. DOI: 10.1130/g49911.1）。该研究受国家重点研发计划项目“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”和国家自然科学基金优秀青年科学基金等项目支持。