王乐等-ESR：弧岩浆的氧化成因

作为地球化学领域中最关键的强度变量之一，氧逸度（fO₂）影响着多个重要的地质过程，包括大陆地壳和弧的演化、地幔和大气的氧化还原，以及斑岩矿床的形成。前人大量的研究表明玄武质弧岩浆明显比洋中脊玄武岩（MORB）、弧后盆地玄武岩（BABB）和洋岛玄武岩（OIB）更氧化。例如，岛弧玄武岩（IAB）的ΔFMQ值（与橄榄石-磁铁矿-石英缓冲对的fO₂偏差，以 log₁₀为单位）为+0.22 到+1.28，高于MORB（ΔFMQ = −0.34到0.31）、BABB（ΔFMQ = 0.22 ± 0.30,2σ）和 OIB（ΔFMQ = −0.25 到 0.82）。尽管过去三十年来众多学者针对该现象开展了广泛的研究，但驱动弧岩浆氧化的机制仍存在争议。

现有用于解释弧岩浆氧化特征的观点主要可分为两类。第一种观点认为弧岩浆氧化是从俯冲板片通过脱水或熔融释放的氧化剂（如 SO₄^2-、Fe³⁺和H₂O）富集在弧下地幔随后继承而来。第二种观点认为是富Fe²⁺的矿物（如橄榄石、石榴石或角闪石）在弧岩浆演化过程发生分离结晶，使得Fe³⁺在残余熔体中浓缩，从而导致残余岩浆氧逸度增加。而弧岩浆的氧化特征到底是源区占主导还是岩浆分异过程占主导仍存在争议。此外，大陆弧原始岩浆（MgO > ~8 wt.%）是否比大洋弧原始岩浆更氧化仍存在争议。一些学者使用B同位素数据，认为与冷的、陡俯冲板块相关的大洋弧由于其蛇纹石化起源的板块流体更为集中从而可产生更氧化的岩浆。相反，来自深部地壳堆晶岩和弧岩浆中Cu/Zr比值（MgO > 6 wt.%）的证据表明，更厚的大陆弧产生的原始岩浆更氧化。

基于上述问题，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重点实验室矿产资源学科中心王乐副研究员、苏本勋研究员、毛亚晶副研究员、秦克章研究员、曹明坚研究员与日内瓦大学Massimo Chiaradia副教授合作，统计了来自全球29个新生代弧（图1）的56,450条新鲜火山岩的地球化学数据（GEOROC 数据库，其中11,587 个包含Fe³⁺/ΣFe比值数据）和全球6个中生代-新生代弧的1242个“干净”锆石微量元素数据（GEOROC 和文献数据），用以阐明源区和分异过程在塑造弧岩浆氧化状态中的作用，重点关注大陆弧和大洋弧之间的差异。他们通过对比两类弧中不同MgO含量范围的火山岩的Fe³⁺/ΣFe比值来评估两类弧背景下不同演化程度岩浆氧逸度差异，通过锆石微量元素氧逸度揭示两类弧背景下演化岩浆的氧逸度差异与演化趋势。高MgO火山岩（MgO > 8 wt.%）的Fe³⁺/ΣFe比值可指示弧岩浆源区的氧化还原状态；而低MgO火山岩（MgO < 8 wt.%）的Fe³⁺/ΣFe比值和锆石氧逸度则可揭示岩浆分异过程对氧逸度的影响。另外他们还利用前人统计的弧岩浆中磁铁矿-钛铁矿对和X射线吸收近边结构（XANES）光谱限定的弧火山岩或熔融包裹体的ΔFMQ值，以及基于实验岩石学的MELTS热力学部分熔融模拟和蒙特卡洛分离结晶过程的质量平衡模拟，来进一步综合约束大陆弧和大洋弧环境下地壳厚度、部分熔融程度和结晶分异对弧岩浆氧化的影响。

图1 包含29个新生代弧的位置的世界地形图，29条弧根据上覆地壳属性可分为大洋弧（白色）和大陆弧（蓝色）。括号中的数字表示每个弧的地壳厚度

该研究得出的主要认识和结论包括：

（1）弧原始岩浆（MgO > 8 wt.%）的平均氧逸度（Fe³⁺/ΣFe = 0.32 ± 0.01,1σ,n = 735）显著高于MORB（Fe³⁺/ΣFe = 0.10 ± 0.04,2σ）。这与弧岩浆中含有俯冲板片释放的氧化性物质（Fe³⁺、SO₄^2-、H₂O等）有关。

（2）虽然不同弧及单个弧原始岩浆（MgO > 8 wt.%）的Fe³⁺/ΣFe变化较大（图2），但就其Fe³⁺/ΣFe平均值而言，大陆弧（Fe³⁺/ΣFe = 0.33 ± 0.01,1σ）要略高于大洋弧（Fe³⁺/ΣFe = 0.30 ± 0.01,1σ），这可能与大陆弧之下较年轻、和较热的俯冲板片贡献了更多的氧化剂和其地幔楔中高压低温条件下更低的熔融程度有关（部分熔融过程中Fe³⁺比Fe²⁺更不相容；图3）。

图2 10个代表性新生代弧火山岩的Fe³⁺/ΣFe与MgO含量散点图。数据按弧类型分组。大图标表示MgO的分箱平均值（间隔0.5 wt.%），误差线表示一个标准差（1σ）。小的半透明图标对应单点分析

图3 大洋弧和大陆弧原始岩浆（MgO > 8 wt.%）的（a）Fe³⁺/ΣFe、（b）La/Sm、（c）Na₂O + K₂O 和（d）Ba/Th与地壳厚度关系散点图。每个实心圆代表单个弧的平均值。误差线代表一个标准偏差（1σ）

（3）岩浆分异是氧化的关键驱动因素。在演化岩浆（MgO < 1 wt.%）中 Fe³⁺/ΣFe比值显著增加（图2），大陆弧演化岩浆的Fe³⁺/ΣFe均值为0.55 ± 0.01（1σ），而大洋弧为0.49 ± 0.01（1σ）。锆石氧逸度数据及独立的弧火山岩-熔融包裹体磁铁矿-钛铁矿氧逸度与XANES数据进一步证实，随着温度或MgO降低，氧逸度上升，且大陆弧的氧逸度升高更快（图4）。这是由于更厚大陆弧地壳（> ~30 km）驱动石榴石和更多角闪石等富Fe²⁺矿物的分异，从而促进了大陆弧岩浆的快速氧化。

图4 基于锆石微量元素的大陆弧（蓝色）和大洋弧（紫色）ΔFMQ对比。（a）基于锆石Ti-Ce-Ui氧逸度计的ΔFMQ箱线图。（b）两种弧型ΔFMQ和锆石中Ti温度的散点图，阴影区域表示95%的置信区间。（c）大陆弧（蓝色）与大洋弧（紫色）火山岩的ΔFMQ与MgO含量散点图

（4）分离结晶质量平衡模拟结果显示大陆弧中橄榄石、单斜辉石、角闪石和石榴石（超过弧堆晶体的90%）的分异，以及大洋弧中橄榄石、单斜辉石和角闪石（超过弧堆晶体的80%）的分异可形成在各自弧中演化岩浆的Fe³⁺/ΣFe比值（图5）。

图5 由于弧堆晶体分异作用，大陆弧和大洋弧岩浆Fe亏损（a,b）和氧化（c,d）的蒙特卡罗模拟。（e,f）残余熔体的Fe³⁺/ΣFe随熔体Fe亏损的变化。每种弧类型有100次模拟，每个堆晶体的矿物比例各不相同。大洋弧的堆晶体的矿物成分为橄榄石-斜方辉石-单斜辉石-尖晶石-角闪石-磁铁矿，大陆弧的堆晶体的矿物成分为橄榄石-斜方辉石-单斜辉石-尖晶石-角闪石-石榴石。（a,b）和（e,f）中的灰色条带表示大陆上地壳（UCC）的平均FeOT含量（2σ）。（a,b）和（c,d）图中垂直的紫色和蓝色虚线分别标记了两种弧中演化程度最高的岩浆（来自图2a）获得大陆上地壳FeOT含量和演化岩浆平均Fe³⁺/ΣFe值所需的堆晶体分数。（e）和（f）图中灰色虚线分别代表大洋弧和大陆弧上地壳中大部分火山岩经历不同程度分异后的Fe³⁺/ΣFe比值范围。缩写：CA = 大陆弧，OA = 大洋弧

（5）如果以MORB的Fe³⁺/ΣFe（~0.1）为起点，从平均值来看源区氧化作用在大陆弧中比大洋弧略显著（大陆弧从0.10到0.33升高0.23个单位，大洋弧从0.10到0.30升高0.20个单位）；而岩浆分异对演化的弧岩浆氧逸度贡献也是大陆弧比大洋弧略高（大陆弧从0.33到0.55升高0.22个单位，大洋弧从0.30到0.49升高0.19个单位）。但从同一类弧来看，源区氧化和分异过程氧化对各自弧岩浆的贡献程度基本接近，二者贡献比例接近1:1。

该研究进一步证实了弧玄武岩要比洋脊玄武岩更氧化，并强调板片热效应、地壳厚度及岩浆分异在弧岩浆氧化中的关键作用；在同等演化程度下（MgO相同）大陆弧的氧化速率要高于大洋弧；源区氧化和岩浆过程氧化对同一类弧演化岩浆氧化特征的贡献基本各占一半。因此，如若需要对比不同岩浆岩样品母岩浆氧逸度时需尽量保证二者的演化程度接近。研究为理解弧岩浆氧化提供了全面框架，突出了大陆弧和大洋弧二者不同的氧化过程（图6）。这些不同的氧化路径对地壳演化和矿床形成具有深远影响，特别是与氧化的弧岩浆相关的斑岩铜矿床。

图6 （a）大洋弧和（b）大陆弧中弧岩浆的演化，分别以地壳柱状图和贯穿地壳的Fe³⁺/ΣFe剖面图表示。剖面图底部和顶部标注的较小和较大的Fe³⁺/ΣFe值分别是两种弧类型中所有> 8 wt.%和< 1 wt.% MgO火山岩的平均值。两类弧中主要堆晶或分异矿物列于弧地壳柱状图旁，主要矿物以粗体突出显示。注意两种弧型中地幔楔部分熔融程度和板片热参数的差异（灰色脱水区域表示大洋弧之下俯冲板片温度较低，粉色脱水区域表示大陆弧之下俯冲板片温度较高）。 PM = 原始岩浆，EM = 演化岩浆，OA = 洋弧，CA = 大陆弧，PCD = 斑岩铜矿床，UCC = 上大陆地壳，MCC = 中大陆地壳，LCC = 下大陆地壳，ol = 橄榄石，opx = 斜方辉石，cpx = 单斜辉石，sp = 尖晶石，amp = 角闪石，pl = 斜长石，mag = 磁铁矿，grt = 石榴石

弧岩浆氧化对于地壳形成与演化、地球宜居性及战略性关键金属成矿过程的重要性不言而喻。弧岩浆氧化涉及多个跨圈层地质过程，其研究范式必然将走向系统化、精细化和交叉化。未来的研究应重点关注Fe³⁺和Fe²⁺在富铁矿物（特别是橄榄石、石榴石、斜方辉石、单斜辉石、角闪石、尖晶石和磁铁矿）-熔体之间在多种P-T-X-fO₂条件下的分配实验研究。涵盖更广P-T范围的含水岩浆变压分离结晶实验对于更好地约束岩浆分异在弧岩浆氧化过程中的作用至关重要。此外，原始岩浆在不同弧或同一弧内Fe³⁺/ΣFe或氧逸度的显著变化，还需从俯冲板片不均一性和地壳厚度变化角度开展进一步研究。

研究成果发表于国际学术期刊ESR（王乐*，苏本勋，Massimo Chiaradia，毛亚晶，秦克章*，曹明坚. The oxidation of arc magmas: A critical review[J]. Earth-Science Reviews, 2025, 271: 105287. DOI: 10.1016/j.earscirev.2025.105287.）。研究受国家自然科学基金委（42202085、42122013）、国家留学基金委（202104910161）和国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项（2017YFC0601306）项目共同资助。