碱性岩通常分布在造山带和板内裂谷背景下，虽然占比很少，但是蕴含着丰富的岩浆起源和构造演化等关键信息。正长岩是碱性岩中最典型的代表之一，其成因是有高度争议的，主要观点有地幔低程度部分熔融、幔源岩浆结晶分异、岩浆混合和晶体堆积等机制。然而，由于地壳混染和岩浆混合的潜在影响，很难从全岩成分判断地幔源区熔融还是壳内分异控制着碱性元素（K₂O和Na₂O）含量。正长岩中的矿物记录了碱性岩浆从起源到侵位的全过程，因此，通过对各岩浆演化阶段的矿物分析，可以评估不同机制的影响程度，从而确定正长岩的主要成因方式。

针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所博士生马建锋在赵太平研究员指导下，选取华北克拉通南缘1772 Ma三元沟正长岩开展了详细的矿物结构、化学成分与热力学模拟研究。该正长岩主要矿物组成是单斜辉石、钾长石、石榴石和榍石，单斜辉石和石榴石具有丰富的矿物环带，表明岩浆混合发挥了重要作用（图1）。通过计算不同阶段的单斜辉石平衡熔体的主微量元素含量，获取了碱性岩浆从起源到侵位的地球化学信息。高Mg^#(>85)单斜辉石的平衡熔体具有高Mg^#、CaO/Al₂O₃和低Hf/Sm的特征，展现出碳酸盐交代地幔的亲和性，微量元素质量平衡模型表明，石榴石-尖晶石过渡地幔低程度(1%~2%)部分熔融可以产生这些高Mg^#熔体（图2）；通过alphaMELTs模拟高Mg^#平衡熔体的结晶分异过程，发现无论在何种压力和水含量下都无法匹配其余平衡熔体的化学成分，说明单一的结晶分异过程不能解释正长岩的成因（图3）。低Mg^#单斜辉石平衡熔体具有低Mg^#值，是地壳物质重熔的产物，质量平衡计算结果表明10%~30%的长英质熔体参与混合可以形成正长岩（图4）。然而，岩浆混合与结晶分异过程无法解释全岩的K₂O、CaO等变化，暗示仍有其它机制参与控制。正长岩中钾长石相互连接形成晶体框架，具有堆晶结构，且全岩Eu^#高于1，表明钾长石堆晶也是控制K₂O含量的机制之一。单斜辉石湿度计显示高Mg^#平衡熔体具有高水含量(>4 wt%，图5)，在模拟过程中发现高水含量可以抑制长石的结晶，从而导致熔体中K₂O、Na₂O含量的再次升高（图6），最终在浅部地壳发生长石堆晶，这也解释了为什么碱性熔体无法突破演化的“热障”。上述工作表明，地幔源区的部分熔融、壳内岩浆演化、岩浆混合、晶体堆晶过程都会控制碱性熔体的成分变化以及正长岩的形成。

以上研究成果发表在岩石学国际权威期刊Journal of Petrology上。相关的论文信息：

Jian-Feng Ma (马建锋), Tai-Ping Zhao^* (赵太平^*), Tong Hou (侯通), Chuan-Hao Qu (瞿川豪). Mineral Textures and Chemistry Trace the Origin and Transcrustal Evolution of the Sanyuangou Syenite in Southern North China Craton. 2024, 65, egae056. https://doi.org/10.1093/petrology/egae056.

图1 三元沟正长岩矿物结构特征

图2 高Mg^#单斜辉石平衡熔体主微量元素揭示地幔源区特征

图3 三元沟正长岩全岩、单斜辉石平衡熔体主量元素特征以及alphaMELTs模拟主量元素变化

图4 三元沟正长岩全岩微量元素特征与混合模型

图5 单斜辉石温度、压力及平衡熔体水含量

图6 熔体水含量与岩浆混合控制熔体中K₂O+Na₂O含量变化