强过铝质花岗岩（通常被称为“S型”花岗岩）广泛分布于大陆地壳中，传统观点认为它们主要源自变质沉积岩的部分熔融。这类岩石通常表现出巨大的成分变化，如随着SiO₂含量降低，ASI指数和XMg升高。对这种成分变化的成因存在两种模型争论：一是残余体模型，认为岩浆成分的变化是由于熔体选择性捕掳（selective entrainment）或分解（unmixing）来自源区的残余矿物和转熔矿物；二是分离结晶模型，认为是母岩浆在演化过程中通过不断发生分离结晶造岩矿物和副矿物所致（图1）。由于这两种过程在全岩主量元素和微量元素组成上均表现出相似的特征，因此仅靠传统地球化学手段难以对二者进行有效区分。

为了解决这一岩石成因争议，中国地质大学（北京）朱弟成教授团队联合国外合作者，以北美新英格兰阿巴拉契亚造山带中经典的泥盆纪Kinsman强过铝质花岗岩及康涅狄克州同期的深部超镁铁质-镁铁质堆晶岩为研究对象（图2），引入了锆石Zr稳定同位素（δ^94/90Zr）进行示踪。

这是因为理论和实验研究表明，Zr同位素在岩浆结晶过程中会发生显著的平衡分馏。硅酸盐熔体中的锆主要为六次配位，而锆石中的锆为八次配位，这种微观配位环境的差异导致在热力学平衡条件下，结晶的锆石会优先富集较轻的Zr同位素，从而使得残余熔体逐步富集重Zr同位素。并且，这种分馏效应具有强烈的温度依赖性（岩浆温度越低，分馏越明显）。其次，在过铝质岩浆中，锆元素几乎专属赋存于锆石中（其Zr含量比共生的硅酸盐矿物高出3至7个数量级），且锆石结晶贯穿了岩浆分异的整个过程。这使得锆石能够连续地记录岩浆同位素的演化历史。

基于上述原理，这两种岩石成因模型在同位素演化上存在不同的预测：如果岩浆成分变化是由固相残余矿物的夹带或分解主导（残余体模型），发生分异的岩浆中结晶出的锆石不应随岩浆分异指数或温度表现出系统性的同位素变化；相反，如果是分离结晶主导（分离结晶模型），随着富轻Zr锆石的持续分离，晚期从演化熔体中结晶的锆石会记录下逐渐变重的Zr同位素特征。本研究通过对各类岩石中锆石的年代学、微量元素和Zr同位素和其它造岩矿物的微量元素的综合分析与热力学定量模拟，取得如下认识：

（1）识别出受降温驱动分异的同位素变化趋势，排除了开放系统模型。Kinsman花岗岩中岩浆锆石的δ^94/90Zr值随全岩SiO₂含量的增加呈现出系统性的增重趋势（从–0.23‰增加至+0.12‰），且与岩浆石榴石-黑云母平衡温度呈极强的负相关（图3）。此外，锆石Zr同位素与锆石Hf同位素发生解耦。这种具有高度规律性的同位素-热演化轨迹排除了源区残余体夹带/分解或岩浆在上升过程中发生连续地壳混染等开放系统过程。

（2）定量证实了分离结晶是驱动岩浆成分多样性的主导因素。在岩浆冷却过程中，结晶的锆石会优先富集轻Zr同位素，导致残余熔体逐步富集重Zr同位素。本研究通过瑞利分馏模型定量拟合发现，自然界实测的数据点较好地遵循了分离结晶的理论演化曲线（图4）。通过回归计算得出的经验同位素分馏因子（Δ^94/90Zr_zircon-melt）为–0.078‰，这与基于第一性原理计算的理论平衡同位素分馏值高度一致，证明了Kinsman花岗岩的巨大成分变化是受控于平衡状态下的分离结晶过程，而动力分馏的影响相对较弱（图4）。

（3）利用Zr同位素建立了穿地壳岩浆系统的完整成因链条。与Kinsman花岗岩同时期的深层（约11 kbar）康涅狄格州超镁铁质堆晶岩（角闪石岩和辉石岩）具有异常偏轻的锆石Zr同位素组成（低至–0.45‰）。Kinsman岩浆演化序列中相对最基性的闪长岩与这些地壳底部堆晶岩的同位素特征较好地衔接。这表明二者属于同一个多阶段演化的跨地壳岩浆系统：原始弧岩浆在下地壳同化了部分变质沉积岩（赋予其过铝质特征和偏轻的初始Zr同位素特征），并在深部形成堆晶岩；随后，衍生出的母岩浆上升至中上地壳，经历了广泛的分离结晶作用，最终形成了成分多样的Kinsman强过铝质花岗岩。

该项研究结果表明，尽管下地壳沉积物的同化混染可能在强过铝质岩石的形成过程中发挥了作用，但分离结晶更可能是产生这些强过铝质岩浆成分的主导机制。该项研究不仅为长期存在的强过铝质花岗岩成因争论从锆石Zr同位素角度提供了经典案例，也展示了金属稳定同位素在揭示岩浆分异动力学过程的巨大潜力。

图1. Kinsman岩套的全岩SiO₂和FeO_total + MgO、ASI指数、Zr和Hf协变图。图中方向相反的两支黑色箭头分别代表残余体模型和FC模拟对全岩成分变化的控制

图2. 美国阿巴拉契亚造山带新英格兰地区和Kinsman岩套所在地区地质图

 图3. Kinsman岩套锆石Zr同位素与全岩SiO₂、石榴石-黑云母平衡温度及Hf同位素的相关性图解

图4. 岩浆演化过程的瑞利分馏定量模拟。红色和蓝色点代表分别采用不同母岩浆成分计算得到的模拟结果。

该项研究成果发表在国际地球化学领域权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》；研究工作主要得到了国家自然科学基金（42572054和42121002）、“111计划”（B18048）以及中央高校基本科研业务费等项目的联合资助。

论文信息：Ze Liu, Nicole Xike Nie, Oliver Jagoutz, Santiago Tassara, Jay J. Ague, Jin-Cheng Xie, Liang-Liang Zhang, Qing Wang, Di-Cheng Zhu*. Extensive fractional crystallization in strongly peraluminous granitoids recorded by zircon Zr isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta. 420, 105–118.

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.03.034

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