黄河、王涛等—EPSL：如何应用“深时”岩浆岩

探测造山带岩石圈深部物质架构

　　岩石圈是地球外层的刚性壳幔系统，其深部物质架构控制着矿产资源的形成分布、地震地热活动的空间架构，以及长周期的气候、生物演化。精准透视岩石圈深部物质一直是固体地球科学研究的前沿和难题，也是我国深地战略的重要组成部分。现今岩石圈是各种地质过程长期积累的产物，其中岩浆活动记录了深部物质的形成、演化、再造。出露于地表的岩浆岩及包体携带着深部源区的化学指纹，是反演深部物质组成的天然探针。然而，在古老造山带中，“深时”岩浆活动反映的深部物质残留与现今深部结构如何关联一直是需要解决的关键问题。因此，构建一套将深时岩浆作用与现今岩石圈架构定量关联的方法体系，成为深部物质探测领域的重要攻关方向。

　　针对上述关键科学与技术问题，中国地质科学院地质研究所（以下简称地质所）王涛研究员等团队开展了探索。近期，团队成员黄河研究员等联合国内外多个机构的科学家，以显生宙增生造山带典型地区——中亚造山带西天山为天然实验室进行了方法探索。西天山保存了从新元古代至中生代的完整造山记录，其中晚石炭世至中二叠世（约305–250 Ma）的岩浆活动是该区最后一期大规模岩浆事件（图1b），且中新生代以来岩石圈改造相对较弱，为建立古老岩浆作用与现今深部结构的直接关联提供了难得条件。以该区最晚期岩浆岩为研究对象，开展了多元同位素—元素填图与地球物理观测、热力学模拟相耦合的集成方法研究，取得了重要认识。

图1 （a）中亚造山带及相邻克拉通位置图；（b）西天山古生代岩浆岩分布图；（c）西天山及邻区布格重力异常图；（d）西天山及邻区43.5km深度剪切波（Vs）速度结构图（数据来源等详细信息见原文）

1. 揭示了西天山存在南、北两个截然不同的同位素域

　　研究团队基于DDE-OnePetrolgogy岩浆岩数据库（https://petrology.deep-time.org/），系统整合了西天山古生代岩浆岩的年代学、全岩元素及Nd-Hf同位素数据，并进行空间成像（图2a和b），揭示了西天山存在两个截然不同的同位素域：北部同位素亏损域（isotopically depleted domain, IDD），具亏损的放射性成因同位素指纹和相对富Na的特征；南部同位素富集域（isotopically evolved domain, IED），具富集的放射性成因同位素指纹和相对富K的特征。

图2 西天山晚石炭世—中二叠世中酸性岩浆岩（a）Nd-Hf同位素与（b）molar K/(Na×Si)比值图；沿A-B剖面的（c）地形、（d）Vs速度结构，以及（e）Vs在20-50km深度、（f）布格重力异常和（g）同位素与元素地球化学指标的变化曲线（详见原文）

2. 证实了岩浆岩地球化学—深部地球物理性质的耦合性

　　本研究将岩浆岩地球化学填图与WGM2012重力数据集的完全布格重力异常值及中国地震学参考模型（CSRM 1.0）的剪切波速度（Vs）结构进行定量对比。两个同位素域的边界与完全布格重力异常的激变带较为一致（图1c-d、2a）。深度相关的Spearman秩相关分析显示，Vs与εHfaverage/equivalent(250 Ma)在35-45 km深度具有较强相关性，进一步从统计学角度证实了岩浆岩地球化学化学—深部地球物理性质的耦合性（图3）。

图3 剪切波速度（Vs）与地球化学参数的Spearman秩相关系数随深度变化曲线

3. 构建了西天山晚古生代岩浆活动与现今下地壳物质架构的成因关联

　　为解释上述耦合的成因机制，研究团队基于对该期岩浆作用构造背景的认识，将西天山岩浆岩样品与全球典型大陆岛弧和碰撞造山带的岩浆岩进行对比。进一步参考前人实验岩石学结果，选择了三种起始成分。利用地质所向华研究员开发的GeoPS软件，进行了相平衡模拟，试图重现岩浆在下地壳分异过程，以及深部堆晶/残留体成分与物性。其中，GAP成分用于模拟洋壳俯冲改造地幔来源的母岩浆壳内演化过程；赞岐岩成分用于模拟古老陆壳交代地幔来源的母岩浆壳内演化过程；混合成分（80%赞岐岩+20%塔里木表壳）用于模拟古老陆壳交代富集地幔来源的母岩浆在深部与底垫的表壳岩（relamination）混合、并进一步演化的深部过程。

图4 相平衡模拟的熔体和晶粥演化趋势与西天山两个同位素域天然样品主量元素趋势的对比（详见原文）

　　模拟结果显示，利用这三种初始成分，获得不同压力下熔体和晶粥的演化趋势，可以很好的重现西天山两个同位素域天然样品的总体地球化学趋势（图4）。而不同起始成分得到的深部堆晶/残留矿物组合在密度和成分上存在系统性差异，特别是塔里木表壳岩物质以底垫作用（relamination）方式加入西天山南部的岩浆源区中，会显著降低深部堆晶/残留体的密度、升高其SiO2含量，这能够解释观测到的现今西天山的南北向深部物性差异（图5）。

图5 对不同初始成分进行相平衡模拟所获得深部矿物组合密度与SiO2含量随温度变化曲线（详见原文）

　　综合区域地质、岩石地球化学与地球物理证据，研究提出：在晚石炭世，北部发生“软碰撞”，因而早期形成的、被洋壳交代弧下岩石圈地幔物质在后碰撞阶段继续作为同位素亏损域岩浆活动的主要源区。而南部与塔里木克拉通的“硬碰撞”促使大量古老表壳岩物质再循环进入同位素富集域的岩浆源区。经历壳内演化后，残留在下地壳的堆晶体/残留体具有显著地南北向物性/成分差异，这奠定了现今观测到的深部岩石圈双域结构的基础（图6）。

图6 西天山晚古生代古地理重建与岩浆岩成因模式卡通图

　　本研究建立了深时地质过程与现今深部结构之间的成因联系，为大陆地壳的生长与分异机制研究提供了关键实证。更为重要的是，构建了一套将深时岩浆岩的岩石地球化学信息、现今地球物理观测结果与热力学定量模拟深度融合的研究方法，为全球缺乏深源包体的古老造山带开展深部物质探测提供了有效的技术方法组合示范。

　　本研究得到国家重点研发计划课题（2019YFA0708601）、深地探测与矿产勘查全国重点实验室基本科研业务费项（JKYDM2025206）、国家自然科学基金项目（42173052、92162322）等项目的联合资助，亦是对DDE国际大科学计划的贡献。成果发表在国际著名地球科学期刊《Earth and Planetary Science Letters》。

论文信息：

　　Huang, H.(黄河), Wang, T.(王涛), Gómez-Frutos, D., Castro, A., Xiang, H.(向华), Bao, X.W.(鲍学伟), Zhu, X.S.(朱小三), Yin, J.Y.(尹继元), Wang, Y.N.(王艳楠), Ma, X.X.(马绪宣), He, Z.Y.(贺振宇), 2026. Linking deep-time magmatism to present-day lithospheric architecture through integrating geochemical mapping, geophysical observation, and phase equilibrium modeling. Earth and Planetary Science Letters 687, 120072.

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120072