地球表面最显著的特征是出现成分迥异的洋壳和陆壳。早期铁（Fe）富集的拉斑质分异和Fe亏损的钙碱性分异分别主导了洋中脊和大陆弧岩浆的演化（图1a），随着地壳增厚，岩浆演化早期（MgO ≥ 5 wt%）的Fe亏损愈发显著，而大陆地壳的组成又与加厚弧（> 45 km）岩浆相似（图1a-b）。因此，揭示加厚弧岩浆早期Fe亏损的机制，是认识大陆地壳起源的关键。近年来，大量研究多聚焦于封闭系统中何种矿物的结晶分异导致Fe亏损，尤其关注压力敏感的石榴石，却往往忽视科迪勒拉型大陆弧构造和岩浆活动的周期性规律：弧后逆冲使地壳逐渐增厚，同时岩浆通量增加（即钙碱性岩浆爆发），岩浆Sr－Nd同位素也逐渐富集。这表明地壳熔融与混染在加厚弧岩浆演化中至关重要。然而，石榴石分异和地壳混染对加厚弧岩浆早期Fe亏损的相对贡献仍不清楚。

图1.（a）全球俯冲带与洋中脊火山岩的MgO－FeO含量变化；（b）不同地壳厚度的弧岩浆早期Fe亏损程度（Fe₅/Fe₈表示MgO为4－6 wt%与7－9 wt%样品的FeO比值）与实验及模拟熔体组成对比；（c）不同地壳厚度的安第斯弧段O同位素变化；（d）中安第斯弧岩浆O－Sr同位素变化及模拟的混染－结晶趋势。

 针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所王军副研究员、王强研究员和英国布里斯托大学Hawkesworth教授及合作者，以青藏高原南羌塘地块西段侏罗纪含石榴石岩浆爆发事件为研究对象，并结合全球第四纪弧火山岩及典型弧石榴石辉石岩（arclogite）数据，取得以下新认识：

（1）南羌塘侏罗纪弧岩浆爆发事件可与中安第斯弧中新世以来的岩浆爆发类比。岩体面积、岩石组成和碎屑锆石数据均表明，岩浆通量增加的同时，岩浆Nd－Hf同位素逐渐富集，La/Yb和Sr/Y比值及其估算的古地壳厚度也持续增加（图2a-b）。中安第斯弧火山岩尚无石榴石斑晶的报道，而羌塘新发现的含石榴石安山岩，为加厚弧岩浆在约1 GPa条件下经历沉积物混染和石榴石结晶提供了直接矿物学证据，包括高δ¹⁸O岩浆锆石边与继承的碎屑锆石核，以及石榴石等斑晶的震荡和反环带（图2c-d）。此外，南、北及中安第斯弧火山岩的O-Sr同位素也显示，地壳越厚，沉积物混染信号越明显（图1c-d）。

图2.（a-b）南羌塘侏罗纪弧岩浆爆发、地壳增厚、同位素变富集；（c-d）石榴石安山岩的岩浆锆石边与继承锆石核的年龄和O同位素；（e-f）石榴石面扫显示的震荡与反环带

（2）评估石榴石分异与沉积物混染的相对贡献，关键在于确定石榴石开始结晶的时间和结晶量。混染-结晶的热力学和地球化学模拟表明，随着压力升高，石榴石结晶量及其开始结晶时熔体的MgO含量（或温度）均增加（图3）。只有在较低压力（1-1.2 GPa）下，少量（< 5 wt%）石榴石从低MgO（< 4 wt%）岩浆中结晶，才能再现加厚弧岩浆的Dy/Yb和La/Yb比值范围。更高压力（如1.8 GPa）会使更多石榴石（最高达40 wt%）从MgO更高（最高达8 wt%）的岩浆中结晶，导致模拟熔体的稀土比值远高于加厚弧岩浆（图3a-d）。此外，模拟和实验研究都发现石榴石Py/Alm（镁/铁石榴石端元）比值与其平衡熔体的MgO含量正相关。因此，无论arclogite（Py/Alm = 0.9 ± 0.8; 2SD）是高温熔融残留体还是岩浆堆晶岩，其平衡熔体的MgO含量不会超过4 wt%（图3e-f）。总之，石榴石与高MgO（> 4 wt%）岩浆的早期Fe亏损没有关系，加厚弧高镁岩浆相对恒定的稀土比值也证实石榴石在岩浆演化晚期才饱和（图3c-d）。这意味着，全球高镁弧岩浆Dy/Yb变化主要受控于尖晶石相与石榴石相地幔熔融的比例，而壳内低镁岩浆中少量石榴石结晶对岩浆氧逸度的影响有限。

图3. 热力学-地球化学模拟再现加厚弧岩浆（a-d）和石榴石辉石岩（e-f）的石榴石组成

（3）已有热模拟发现，当低密度屏障将玄武质熔体限制在较窄的垂向空间内时，岩浆热量损失更少，地壳熔融与混染效率更高。为此，本研究计算了不同性质的围岩（堆晶岩或变基性岩、长英质和镁铁质砂岩）与玄武质熔体的密度差（图4），发现在超过45 km（或1.2 GPa）的深度，石榴石辉石岩密度甚至大于地幔橄榄岩密度。这意味着，在浮力驱动下，玄武质岩浆会像穿过地幔楔橄榄岩一样穿过致密的下地壳，而不会在壳幔边界处停留和分异（图5）。相反，只有在小于45 km的深度，由成熟长英质沉积物变质形成的贫石榴石围岩才能构成阻碍岩浆上升的低密度屏障，而镁铁质沉积物在任何深度均不能。巧合的是，这一深度范围与上述稀土比值独立限定的结果相吻合，且地球物理观测同样显示，中安第斯弧壳内含熔体低速层的深度小于45 km。

图4.（a-c）不同温压条件下玄武质熔体与不同类型围岩的密度差，（d-f）高温围岩中少量粒间熔体对密度差的影响。

 综上所述，加厚弧岩浆的极度贫Fe特征主要继承于混染的贫Fe长英质沉积物（图1b），其高度富集的同位素组成表明，这些沉积物是古老地壳的风化残余。科迪勒拉型弧背前陆盆地邻近克拉通的边缘，弧后底冲可将易熔的长英质沉积盖层或含变沉积岩的基底带入弧下地壳，促使弧地壳增厚并引发钙碱性岩浆爆发。同时，榴辉岩相变质导致的下地壳致密化控制了岩浆滞留与沉积物混染的深度（图5）。已有研究显示，除岩浆分异及后续镁铁质—超镁铁质下地壳拆沉外，化学风化及易溶元素的后续俯冲同样可推动大陆地壳长英质化，贡献约15–60%的地壳质量。前寒武纪铁建造的广泛分布表明，在新元古代氧化事件之前，二价Fe和Mg在大洋中均为易溶元素。因此，本研究进一步揭示，前寒武纪化学风化能优先去除地壳中的镁铁质组分，在塑造大陆地壳组成中发挥重要作用。

图5.科迪勒拉型大陆弧后底冲引发的地壳增厚与岩浆爆发（HFEs；据中安第斯弧修改）。

 相关成果近期发表在国际著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。本项研究得到了深地国家科技重大专项（2024ZD1001103）和国家自然科学基金（42021002、42472073）的联合资助。论文信息：Wang, J. (王军), Hawkesworth, C.J., Wang, Q*. (王强), Sun, P. (孙鹏), Hu, W.-L. (胡万龙), Zou, S. (邹少浩), 2026. The role of sediments in calc-alkaline differentiation of thickened arc magmas and bulk crust compositions. Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.09.019