高硅流纹岩的爆炸性喷发对人类安全和社会经济稳定构成了严重威胁。这类火山喷发通常涉及地壳岩浆储层中高硅熔体的高效提取（Hildreth, 2004）。然而，由于高硅熔体的高粘度，传统的浮力驱动提取机制（如受阻沉降、微沉降和压实）效率较低（Bachmann and Bergantz, 2004）。这导致大部分高硅熔体被困在高度结晶的晶粥中，最终以结晶间隙矿物的形式与侵入岩一同暴露于地表。尽管如此，地质历史上仍有一些超级火山喷发释放了大量高硅熔体，例如Bishop Tuff、Oruanui Tuff和Carpenter Ridge Tuff等。这些实例表明，在大规模硅质岩浆系统达到热死亡状态之前，可能存在更高效的晶体-熔体分离机制，从而促进高硅熔体的抽离。
研究表明，部分熔融岩石在变形条件下可能形成增强的渗透性（Daines and Kohlstedt, 1997; Liu and Lee, 2021）。在这种条件下，熔体口袋会优先垂直于最大压缩应力排列，从而扩大颗粒级熔体通道的横截面积，显著提升渗透性（Daines and Kohlstedt, 1997）。这种机制可能为高硅熔体的高效提取提供了一条重要途径。晶体-熔体分离的机制和效率与熔体分数密切相关（Hu et al., 2022）。在富液系统中，受阻沉降主要发生在分散晶体环境中；而当形成机械连贯的晶体框架时（孔隙度约0.75，Holness, 2018），分离机制则转向压实。压实过程根据孔隙度（Φ，即捕获熔体分数）可分为沉积压实（Φ > 0.5–0.7）、机械压实（0.05–0.4 < Φ < 0.5–0.7）和粘性压实（Φ < 0.05–0.4）。在中等熔体分数（Φ = 0.35–0.55）下，晶体-熔体分离效率最高（Bachmann and Bergantz, 2008），骨架矿物的重新排列（即机械压实）能有效重新分配熔体（Florez et al., 2024）。然而，岩浆储层中骨架矿物重排效应的岩石结构记录较少，相关研究仍面临挑战。尽管如此，这一过程对岩浆储层演化的潜在影响不容忽视，值得进一步深入探讨。
中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室吴福元院士团队长期致力于青藏高原南部岩浆活动的研究。近年来，团队将研究重点聚焦于冈底斯造山带始新世岩浆大爆发的精细过程及其对气候环境的影响（Chen et al., 2023; Zhang et al., 2023）。研究发现，冈底斯造山带北侧的旁多盆地以始新世（约50 Ma）岩浆活动为主，保存了一组具有成因联系的火山-侵入岩组合（图1a-图1b），为研究骨架矿物重排效应提供了理想载体。尽管旁多盆地边缘出露了大量流纹岩，但大规模长英质岩浆的快速抽提机制仍不明确。为了解决这一问题，团队博士研究生陈厚彬在导师吴福元研究员、纪伟强研究员及刘博达副研究员的指导下，对旁多盆地硅质岩浆的熔体抽提过程展开了系统研究。
研究团队首先对旁多火山-侵入岩的结晶年龄、空间分布、地球化学成分及岩石结构特征进行了系统分析（Chen et al., 2023）。研究结果表明，初始的石英二长质晶粥通过晶体-熔体分离逐渐演化：晶体堆积形成石英二长岩，而抽离的熔体则形成流纹岩或花岗斑岩。野外露头显示，石英二长岩与花岗斑岩之间呈现渐变过渡关系（图1c）。此外，石英二长岩和流纹岩（花岗斑岩）在主要元素（如Si、Ti和Ca）和微量元素（如Eu、Ba、Sr和P）上表现出互补的地球化学特征。流纹岩中锆石成分的变化进一步记录了晶体-熔体分离的过程（Chen et al., 2023）。
通过间隙矿物体积分数和质量平衡计算，研究团队发现石英二长岩中捕获的熔体比例约为40–65%，并保留了中等结晶度下骨架矿物重排的微观结构证据，例如长石晶体的平行排列（图1d）。此外，他形钾长石和石英未显示变形特征（图1e），这表明晶粥的变形发生在这些矿物结晶之前，而非后期构造活动的结果。在近固态条件下，晶体内部的变形证据较少，仅观察到斜长石边缘的轻微膝折（图1e），指示仅存在轻微的粘性压实作用。这种压实可能是长石晶体密集堆积后额外应变的反映，但并未掩盖原始的岩浆结构特征。在固结晶粥样品（石英二长岩）中，大颗粒和自形长石晶体呈现水平择优取向（图1d，图2a-图2b）。这种排列导致水平方向的颗粒尺度空隙逐渐闭合，同时将熔体集中到垂直方向的颗粒尺度通道中，从而促进熔体向上迁移（Liu and Lee, 2021）。长石长轴的水平排列可能由多种因素引起，例如垂直压缩和水平伸展。垂直压缩可能源于重力驱动的晶体沉降和压实等内部过程，但这些过程对硅质岩浆系统的影响可能有限（Holness et al., 2017）。外部过程，例如来自底部的岩浆补给（Liu and Lee, 2021），也可能起到一定作用。水平伸展则主要与外部构造应力有关。例如，Zhu等（2023）曾提出旁多盆地可能存在一个与板块断离相关的短暂伸展期（约53 Ma），并导致随后50 Ma时强烈的基性岩浆活动。然而，目前尚无法明确证实或排除这些驱动力的具体贡献。
图1 区域地质图和晶体-熔体分离记录。（a）青藏高原构造框架。（b）旁多盆地区域地质图。（c）石英二长岩和花岗斑岩的接触界限。（d）显微照片显示了石英二长岩中大颗粒长石的近水平定向。（e）斜长石边部的膝折。（f）球粒陨石标准化的稀土元素配分模式图
无论驱动机制如何，骨架矿物的水平排列（叶理）都可能显著影响熔体的提取效率。因此，研究团队更关注这种择优取向的结果，而非其成因。通过模拟择优取向强度，团队估算出压缩应变率为20%–30%（图2a-图2b），这一数据可用于推断实际构造变形下的古熔体抽离速率。进一步研究表明，考虑到骨架矿物重排效应后，熔体抽离速率至少加快了15倍，从而将通过压实分离500米厚的熔体层与晶粥所需的时间缩短到了千年尺度（图2c-图2d）。这一时间尺度允许大型岩浆室的生长，避免熔体过早结晶或因过度流动应力导致多次小型喷发（Townsend et al., 2019）。该研究不仅深化了对高硅流纹岩喷发机制的理解，还为地质构造变形对岩浆演化的影响提供了新视角。研究结果表明，应力诱导的骨架矿物重排可有效促进高硅熔体的抽离，为岩浆分异机制提供了新的解释。这一机制可能适用于其他高硅火山岩体系。未来研究应综合地质、地球化学和力学因素，进一步模拟高硅熔体的动态空间分布变化。
图2 压缩应变率模拟结果和压实持续时间计算结果。（a-b）通过计算长石矿物在不同应变率下从随机取向变为有序取向的过程，模拟了各种应变率下的取向概率分布。这些模拟结果与实际观察到的大颗粒长石定向情况进行了对比。最符合的压缩应变率分别为0.2 ± 0.1（20JT101）和0.3 ± 0.05（20JT116）；（c-d）熔体抽离时间尺度的计算结果。通过压实将 500 米厚的熔体层与晶粥分离所需的时间。灰色区域限定了晶粥寿命。橘色区域代表地壳粘性松弛时间。蓝绿色线和红线分别是持续时间的上限和下限。垂直虚线表示样品骨架矿物的最小粒径
研究成果发表于国际学术期刊GRL（陈厚彬，刘博达*，纪伟强*，张少华，赵凯，吴福元. Repacking Accelerates High‐Silica Melts Extraction: Insights From Microstructural Record and Numerical Modeling [J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52: e2024GL110970. DOI: 10.1029/2024GL110970.）。研究得到国家自然科学基金（42488201，92355301和42072078）的联合资助。
陈厚彬（博士生）
