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朱弟成教授团队: 弧根水致熔融驱动大陆地壳早期成熟与戴利成分间断产生【NC，2026】

2026-05-19

花岗岩是地球表面最常见的岩石之一，也是所有大陆的标志性特征。在太阳系中，除了在月球上发现的少量花岗岩外，花岗岩仅存在于地球上。然而，花岗质岩浆的具体形成机制一直是个谜。花岗岩成因存在两个主流模型：1）玄武质岩浆的结晶分异——岩浆冷却并伴随着不同矿物的分离结晶，最终形成花岗岩，但这个过程需要伴随大量堆晶岩（熔体:堆晶岩 ≈ 1:3）的产生，而在弧根却普遍缺失如此大规模的堆晶岩；或2）玄武质岩石的脱水熔融（地壳深熔）——早期弧岩石（如镁铁质弧根）中的含水矿物（如角闪石或黑云母）在高温下脱水熔融产生花岗质熔体，但这会带来大体积的残留体（熔体:残留体≈ 1:5）。两类模型共同面临关键矛盾：理论预测会生成巨量致密堆晶岩或残留体，而地质记录中却普遍缺失。这常被学术界解释为堆晶岩或残留体因其密度大而拆沉（delamination）沉入了地幔。长期未被充分审视的根本问题是：能否在不产生大量致密残留体的前提下，高效形成大规模花岗质岩浆？另外一个科学难题是，弧岩石中为何富含大量镁铁质和花岗质岩石，而缺失SiO₂成分较为中性的岩石？即全球弧岩浆岩中普遍的戴利间断（Daly Gap; Daly, 1925）的成因。

针对上述科学难题，中国地质大学（北京）朱弟成教授团队通过对西藏冈底斯弧东部里龙-卧龙岩基的深入研究，提出在俯冲-碰撞造山带，富水流体加入下地壳弧根镁铁质堆晶岩（第一步），在高压（~12 kbar）、高水（4-10 wt%H₂O）条件下触发低温（<850 ℃）水致重熔（第二步），产生大规模花岗质岩浆，同时形成体积相对较小的残留体和戴利成分间断。主要发现点包括：

（1）卧龙岩基由里龙岩基部分熔融形成：卧龙岩基（~1200 km²）和里龙岩基（~950 km²的）分别以花岗质、镁铁质-超镁铁质堆晶岩+石英闪长岩-英云闪长岩为特征。里龙岩基东段发育的镁铁质混合岩（石榴子石角闪岩+斜长质/英云闪长质浅色体）（图1）显示典型的深部地壳重熔结构，记录了下地壳（~12 kbar）的深熔作用。卧龙花岗岩中的继承锆石（116-82 Ma）与里龙岩基的年龄（119-82Ma ）完全重叠，且ε_Hf(t)一致；同时混合岩中的深熔锆石（90-67 Ma）与卧龙花岗岩结晶年龄一致，且两者均出现少量古生代（~360 Ma）继承核（图2）。这些证据表明卧龙花岗岩是里龙岩基部分熔融而成。

图1 西藏冈底斯弧东部里龙岩基混合岩照片

图2 里龙（Lilong）岩基和卧龙（Wolong）岩基锆石U-Pb定年结果

（2）高压、低温、富水的熔融条件极大提高了熔体产生效率：对里龙岩基~50-55 wt.% SiO₂的源岩在高压（12 kbar）条件下的相平衡模拟表明：要形成观测到的残余矿物组合（角闪石+石榴子石+绿帘石），需低温（<850°C）、富水（H₂O = 4-10 wt.%）条件（图3）。在此条件下产生的熔体SiO₂含量为 66-73 wt.%，熔体/残留体体积比高于结晶分异所需的1:3（最高可达2:1），远高于脱水熔融的1:5。水的加入是此过程的关键所在，其促进了斜长石+单斜辉石的优先消耗，抑制了角闪石分解，从而在低温下获得高比例花岗质熔体。

图3 里龙岩基镁铁质原岩的热力学模拟结果

（3）水致熔融的地球化学证据：卧龙花岗岩具有高Al₂O₃、Na₂O、Sr，低K₂O的特征，偏离分离结晶趋势，而与水致熔融模拟产生的熔体完美吻合（图4）。另外，稀土元素配分模式以及较高的λ₁-λ₂系数（代表最优拟合稀土元素配分模式的多项式方程的斜率和曲率的系数；O’Neill,2016）也指示残留相含角闪石+石榴子石+绿帘石（图4），与混合岩观测一致。

图4 里龙岩基和卧龙岩基全岩地球化学图解

4颗黑色星号代表用于热力学模拟的里龙岩基岩石的起始成分。红色和黄色阴影区域分别代表水致熔融和脱水熔融产生的熔体成分。

（4）戴利间断（Daly Gap）成因：里龙-卧龙岩基共同显示以约64 wt.% SiO₂为中心的成分间断（图5），表明本文提出的两步过程可以直接从低SiO₂的镁铁质堆晶岩生成富含SiO₂的花岗质岩浆，有效“跳过”中性岩石成分。与此相比，结晶分异过程没有很好的体现这种成分间断（图5），表明本文提出的这种两步过程可用来解释全球岩浆弧的中性成分匮乏。

图5 不同岩浆弧SiO₂含量分布图

标记为FC的蓝色虚线曲线是通过初始成分为48 wt.% SiO₂计算出的FC过程的熔体SiO₂核密度估计结果（Jagoutzand Klein, 2018）。显然，FC过程未能产生明显的长英质峰值。

（5）岩浆弧地壳成分的早期成熟及全球普适性：较老的里龙岩基（119-82Ma ）与较年轻的卧龙岩基（90-67 Ma）锆石年龄近连续分布（图2），说明里龙岩基在未完全固结的“晶粥体”状态时即发生部分熔融（Magma Defrosting; Barnes and Werts, 2022）。混合岩样品锆石深度剖面定年揭示两步过程持续>50 Myr（Dong et al., 2026）。阿拉斯加 Talkeetna弧、新西兰Fiordland弧、内华达 Sierra Nevada弧和阿根廷的Famatinian弧也呈现类似的长时间的两步连续演化过程。本项研究首次在岩基尺度上证明：水致重熔（H₂O-fluxed remelting）可形成大规模花岗质岩浆，而不产生巨量残留体（图3），并自然形成戴利成分间断（图5）。弧岩浆富水的天然属性使其侵位冷却过程中释放大量含水流体，触发先存弧岩石的重熔，从而导致岩浆弧地壳成分的早期成熟。

岩浆弧下地壳堆晶岩的重熔机制，近期被归纳为堆熔（accumelting）过程（Zhu et al., 2022, 2023, 2025; Cawood, 2025）—— 俯冲期（碰撞前）形成的大量富角闪石镁铁质-超镁铁质堆晶岩，在俯冲晚期至同碰撞-碰撞后阶段发生重熔的“堆晶-重熔”两阶段过程，最终导致了大陆地壳的成分成熟；其熔融机制是板片回卷和断离诱导的幔源岩浆加热（热传导）（温度800-1000°C）。本项研究进一步揭示，俯冲阶段即可通过富水幔源岩浆注入，触发先存富角闪石堆晶岩发生低温（< 850°C）水致重熔（H₂Ofluxed remelting），促使原本以镁铁质为主的地壳发生成分改造，在俯冲期即实现大陆地壳的早期成熟。两者共同构成了大陆地壳从镁铁质向长英质演化的完整路径。

该项研究得到国家自然科学基金（42121002；42330307；42372079）、中央高校基本科研业务基金（ 2652023001）、澳大利亚研究理事会（DP200102165）和德国科学基金会（533104367）的资助。

相关成果发表在国际知名期刊《Nature Communications》期刊：

Dong, P. (董朋生), Weinberg, R.F.*, Zhu, D.-C.* (朱弟成), Wang, Q. (王青), Joya, G.O. & Nebel, O., 2026. H₂O-fluxed remelting of arc roots drives continent maturation and the Daly Gap. Nature Communications. 全文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72194-1