薄弘澤 張招崇

中國地質大學地球科學與資源學院，北京 100083

大火成巖省(Large Igneous Provinces)的概念最早由Coffin and Eldholm (1994)提出，用以描述由鎂鐵質-超鎂鐵質火山巖及其伴生侵入巖組成的、巨量噴發(fā)形成的巖漿建造，其覆蓋面積大于105km2，體積大于105km3，其中75%以上的體積在短時間內(1～5Myr)形成(Bryan and Ernst, 2008)，這類大火成巖省一般被稱為鎂鐵質大火成巖省(Mafic Large Igneous Provinces)。Bryanetal. (2002)正式提出了硅質大火成巖省(Silicic Large Igneous Provinces)的概念，其體積和覆蓋面積與鎂鐵質大火成巖省類似(>105km2，>105km3)，但80vol.%以上的巖漿巖為長英質巖石，如熔結凝灰?guī)r、流紋巖、英安巖、花崗巖，具有從I型向A型花崗質巖石過渡的特點，此外，其形成時間相對較長，可達～40Myr，多呈條帶狀產出在板塊邊緣(Bryan, 2007; Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013)。王德滋和周金城(2005)在國內最早引入了這一概念，將其稱作長英質大火成巖省，并對其主要特征、巖石組合、分布范圍等做了詳細論述，首次提出了我國東南地區(qū)浙、閩、贛三省的白堊紀中酸性火山巖以及與之有成因聯(lián)系的花崗巖可能構成了一個長英質大火成巖省，并認為中酸性巖漿的形成很可能是與玄武質巖漿底侵作用導致的地殼大規(guī)模熔融有關。

大火成巖省代表了地球演化歷史中最大的火山作用，多數(shù)學者認為其形成與地幔柱活動和超大陸的裂解密切相關，記錄了巨量物質與能量從核-幔邊界或上-下地幔邊界向地表轉移的過程，是了解深部地質過程的重要窗口(Morgan, 1971; Griffiths and Campbell, 1990; Campbell and Griffiths, 1990; Courtillotetal., 1999; 徐義剛, 2002; 王德滋和周金城, 2005; Campbell, 2007; Xiaetal., 2013)。同時，大火成巖省形成過程中可以使得大量氣溶膠通過火山作用噴射進入大氣對流層和平流層，對氣候環(huán)境造成顯著影響，有些學者認為這可能是生物大滅絕事件的重要誘因(Robock, 2000; Wignall, 2001, 2005)。此外，大火成巖省獨有的巨量巖漿活動，有利于成礦物質的聚集和能量的交換，其本身就是一個大成礦系統(tǒng)，有巖漿硫化物型、氧化物型、熱液型等多種礦床產出(肖龍等, 2007; Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013)，甚至卡林型金礦也和其存在著間接的聯(lián)系(Tassaraetal., 2017; Zhuetal., 2020)。

因此，近幾十年來，大火成巖省的成因和深部動力學過程一直是學術界所聚焦的熱點問題，但多數(shù)研究都集中在鎂鐵質大火成巖省，硅質大火成巖省則未受到廣泛的關注。近年來的研究表明，硅質大火成巖省可具有比部分鎂鐵質大火成巖省更大的體積和覆蓋面積，記錄了大規(guī)模的地殼重熔和再循環(huán)的演化過程(Bryan and Ferrari, 2013)；由于噴射高度能夠到達平流層，硅質大火成巖省對氣候的影響可能比鎂鐵質大火成巖省更為顯著；同時，硅質大火成巖省還與淺成低溫熱液型礦床的形成密切相關。鑒于硅質大火成巖省具有上述重要地質意義，而目前國內對其研究較少，本文概述了硅質大火成巖省的特點，收集整理了世界上五個硅質大火成巖省的全巖地球化學數(shù)據(jù)，在前人工作的基礎上對其形成機制、與資源和環(huán)境的關系進行了綜述和探討，旨在為硅質大火成巖省的進一步研究提供信息。

1 硅質大火成巖省的分布與特點

1.1 硅質大火成巖省的分布、規(guī)模與形成時間

目前世界上已知的硅質大火成巖省數(shù)量少于鎂鐵質大火成巖省，其中被學術界廣泛承認也是規(guī)模最大的硅質大火成巖省有三個：墨西哥西部的Sierra Madre Occidental(Ferrarietal., 2002, 2018; Aguirre-Díaz and Labarthe-Hernndez, 2003)、南美洲南部和南極洲西部的Chon Alike(Pankhurstetal., 1998, 2000; Rileyetal., 2001)、澳大利亞東部的Whitsunday(Ewartetal., 1992; Bryanetal., 1997, 2000)，其覆蓋面積、體積、形成時間見表1。此外，中國華南(South China)可能存在一個或數(shù)個硅質大火成巖省(王德滋和周金城, 2005; 張旗, 2013; Wangetal., 2016)，印度Malani和澳大利亞Kennedy-Connors-Auburn也被認為可能是硅質大火成巖省(Sharma, 2005; Bryan, 2007; de Walletal., 2018)。需要注意的是，由于目前對硅質大火成巖省的研究相對較少，可能還有一些硅質大火成巖省尚未被識別。

與鎂鐵質大火成巖省多產出在大陸內部不同，硅質大火成巖省多位于大陸邊緣，在聚斂邊界后緣的位置呈條帶狀分布(圖1)，并常伴有大巖墻群出露，這些十分陡傾的巖墻群甚至可沿其走向蔓延上千千米(Kennedy-Connors-Auburn, Bryan, 2007及其所引參考文獻)，前人研究表明，硅質大火成巖省多產出于伸展的構造背景中，其形成可能在時空上與洋盆開裂和大陸裂解密切相關(Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013)，還可能與鎂鐵質大火成巖省有關聯(lián)，如在重建的～200Ma的Gondwana大陸上，Chon Alike硅質大火成巖省被Karoo-Ferrar鎂鐵質大火成巖省包圍(Dalziel, 1992; Dalzieletal., 2000; Bryan and Ernst, 2008)。

圖1 世界主要大火成巖省分布圖(據(jù)Bryan and Ferrari, 2013修改)Fig.1 Global distribution of main Large Igneous Provinces (modified after Bryan and Ferrari, 2013)

硅質大火成巖省的體積多大于2×105km3，如果將火山碎屑沉積物也折算在內，Whitsunday的體積甚至可達2.2×106km3(Bryanetal., 2000)；硅質大火成巖省覆蓋面積多大于5×105km2，最高可達3×106km2(Chon Alike)，其規(guī)模和鎂鐵質大火成巖省類似，遠遠高于此前被認為代表了地球歷史上最大硅質巖漿活動的位于新西蘭的Taupo Volcanic Zone(體積約2×104km3，覆蓋面積300km×600km；Wilsonetal., 1995; Houghtonetal., 1995)，因此硅質大火成巖省的形成代表了地球上最大規(guī)模的硅質巖漿作用事件。

硅質大火成巖省產出的時代跨度較大(從元古宙至今)，目前已識別的硅質大火成巖省多數(shù)在近300Ma形成，受后期地質作用改造較弱，如Sierra Madre Occidental在始新世至中新世形成，是目前年代最新、保存最為完好的硅質大火成巖省之一；Chon Alike形成于侏羅紀；Whitsunday形成于白堊紀(表1)； 位于澳大利亞東北部的Kennedy-Connors-Auburn硅質大火成巖省，在石炭紀至二疊紀形成(320～280Ma)。同時，一些研究表明，元古宙同樣有硅質大火成巖省形成，如位于印度的Malani形成于～750Ma(Sharma, 2005; de Walletal., 2018)，位于澳大利亞南部的Gawler Range-Hiltaba形成于～1590Ma(Creaser and White, 1991)，這些年齡較老的硅質大火成巖省受構造運動、風化剝蝕等地質作用改造明顯，因此世界上可能存在我們至今尚未識別的時代較早的硅質大火成巖省(Bryan and Ferrari, 2013)。

表1 世界上5個主要硅質大火成巖省的位置、規(guī)模與形成時間

1.2 巖石學特征

硅質大火成巖省主要由流紋質熔結凝灰?guī)r及與之有成因聯(lián)系的花崗巖組成，還常包括玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖等一系列熔巖。鎂鐵質大火成巖省中的酸性巖漿巖通常斑晶含量較少(<20vol.%)，無含水礦物斑晶(Bryan and Ernst, 2008)；而硅質大火成巖省中凝灰?guī)r的晶屑含量變化明顯，大致可分為<10vol.%和>50vol.%兩類，主要由長石(斜長石為主)、石英、鈦鐵氧化物、輝石組成，并常含有黑云母、角閃石等含水礦物(Cameronetal., 1980; Ewartetal., 1992; Bryan, 2007; Bryan and Ferrari, 2013)。這些長英質巖石多為鈣堿性系列，具有從聚斂板塊邊界向板內、從I型向A型花崗質巖石過渡的地球化學特征(Bryan, 2007; Bryan and Ferrari, 2013)。鎂鐵質大火成巖省中心區(qū)域中常見苦橄質巖石出露(如峨眉山大火成巖省)，指示高溫的地幔柱(～1600℃)在干的條件下使得地幔部分熔融，代表著無水、高溫、缺少揮發(fā)分的形成條件(Zhangetal., 2006)；而硅質大火成巖省僅有少量玄武質巖石出露，幾乎無苦橄質熔巖，取而代之的是(橄欖)粗安巖和贊岐巖(Whitsunday，中國東部；Bryanetal., 2000; 王德滋等, 1996; 張旗, 2013)，與長英質巖石的含水礦物一起，指示了硅質大火成巖省形成于含水、富含揮發(fā)分的環(huán)境(Wark, 1991; Ewartetal., 1992; 張旗, 2013)。

1.3 噴發(fā)機制

硅質大火成巖省中大部分地區(qū)主要出露火山碎屑巖(如Chon Alike, Sierra Madre Occidental)，但也有部分地區(qū)以長英質熔巖為主(如Gawler)。

硅質大火成巖省中巨量熔結凝灰?guī)r的形成，可能與破火山機構密切相關(Ewartetal., 1992; Bryanetal., 2000; Swansonetal., 2006; Bryan, 2007)。破火山口是在拉伸構造背景下，大量火山灰涌出后巖漿房頂部塌陷所形成，其直徑多為10～40km，Chon Alike大火成巖省中甚至有直徑達到100km的破火山口(Rileyetal., 2001)，當數(shù)個幾百平方千米的破火山口疊置在一起時，其噴發(fā)的凝灰?guī)r體積就可以達到構成大火成巖省的數(shù)量級(Fisher and Schmincke, 1984; 王德滋和周金城, 2005)。然而，雖然將破火山機構作為熔結凝灰?guī)r主要噴發(fā)來源的觀點受到了廣泛的認可，但在硅質大火成巖省中，相較于它們所產出的龐大的凝灰?guī)r體積，發(fā)現(xiàn)和識別的破火山口的數(shù)量還很少，如Sierra Madre Occidental硅質大火成巖省至今識別的破火山口不足20個(Swanson and McDowell, 1984; Aguirre-Díaz and Labarthe-Hernndez, 2003; Swansonetal., 2006)，而Whitsunday硅質大火成巖省只識別出5個破火山機構(Ewartetal., 1992; Bryanetal., 2000)，這可能與后期構造變形、剝蝕的影響有關，但真正的原因仍需進一步研究。

部分硅質大火成巖省中大面積流紋質熔巖流的形成，可能與其源區(qū)的水含量和F含量密切相關。這是因為熔體中低的水含量可以降低巖漿的泡沫化，從而降低其爆發(fā)性，而熔體中高的F含量可以起到解聚作用使得巖漿粘度降低(Dingwell and Mysen, 1985; Dingwell, 1996; Giordanoetal., 2008)。Agangietal. (2012)研究認為Gawler中巨量的流紋質熔巖的形成與水不飽和、富F的巖漿密切相關。然而，這一解釋與目前受廣泛認可的富水地殼重熔的模式相矛盾(Bryanetal., 2002; Bryan, 2007)，如何調和這一矛盾仍需進一步的研究。

相比于鎂鐵質大火成巖省75%以上的體積都在1～5Myr形成，硅質大火成巖省形成的時間跨度較長，可達～40Myr，表現(xiàn)為多期次多階段的巖漿活動規(guī)律，可能具有多個巖漿活動的主峰期，是一個長期積累、隨機形成的過程(Bryan and Ernst, 2008)。事實上，無論是哪種類型的大火成巖省，雖然都代表著較短時間內巖漿的巨量噴發(fā)，但其源區(qū)部分熔融形成巖漿的過程仍需較長時間的積累，在巖石圈底部與MORB進行充分的物質交換，當巖漿積累到一定程度，使得上覆巖石在壓力作用下破裂，就形成了巖漿的運移通道(張旗, 2013)。不同于鎂鐵質大火成巖省由巖石圈底部的玄武質巖漿房直接噴發(fā)形成，硅質大火成巖省可能是由巖漿底侵或地幔柱上升烘烤下地殼使其部分熔融形成的，其形成的時間跨度取決于為之提供熱源的地幔物質能夠在地殼底部停留的時間，隨著烘烤下地殼熱源的變化，熔融一部分，噴發(fā)一部分，因此硅質大火成巖省的巖漿作用的持續(xù)時間往往較長，可達幾十個百萬年。

2 硅質大火成巖省形成機制

為綜合對比和探討硅質大火成巖省的成因及構造背景，本文收集了世界上五個典型硅質大火成巖省：Sierra Madre Occidental(Wark, 1991; Albrecht and Goldstein, 2000; Ferrarietal., 2007)、Whitsunday(Ewartetal., 1992; Bryanetal., 2000)、Chon Alike(其中南極洲Peninsula數(shù)據(jù)來自Rileyetal., 2001；南美洲Patagonia數(shù)據(jù)來自Pankhurst and Rapela, 1995)、Malani(Van Lenteetal., 2009; de Walletal., 2018; Wangetal., 2018)、South China(Wangetal., 2016)的巖漿巖主微量元素數(shù)據(jù)(共229件)和Sr-Nd同位素數(shù)據(jù)(共162件)。少量樣品的稀土元素(REE)有部分缺失，數(shù)據(jù)處理時采取插值法進行了補充。

2.1 地質特征和巖石組合

下面介紹上述5個典型硅質大火成巖省的地質特征和巖石組合，其空間位置見圖1。

Sierra Madre Occidental硅質大火成巖省位于墨西哥西部，沿東太平洋呈北西-南東向條帶狀分布，體積高達3.9×105km3，大規(guī)模的硅質(到雙峰式)巖漿活動發(fā)生在38～20Ma之間，其形成與加利福尼亞灣的裂谷作用密切相關，巖石組合以流紋質熔結凝灰?guī)r為主，夾有5%～10%的基性-酸性的熔巖(Cameronetal., 1980; Ferrarietal., 2018)。

Chon Alike硅質大火成巖省由南美洲南部的Patagonia和南極洲西部的Peninsula組成，是目前覆蓋面積最大的硅質大火成巖省(3×106km2)，其體積高達2.3×105km3，它由Chon Alike、Marifil、Bajo Pobre、Lonco Trapial四個建造構成，其形成年代有所重疊，在180～140Ma形成，巖石組合以流紋質熔結凝灰?guī)r為主，夾有玄武巖，還有部分鎂鐵質熔巖、英安質熔結凝灰?guī)r(Pankhurstetal., 1998; Rileyetal., 2001)。

Whitsunday硅質大火成巖省位于澳大利亞東部，在西太平洋呈北西-南東向條帶狀分布，是目前體積最大的硅質大火成巖省，高達2.2×106km3，在132～95Ma形成，其形成與岡瓦納大陸東部的裂解密切相關，巖石組合以英安質-流紋質巖屑凝灰?guī)r為主，被寬度可達50m的輝長巖/輝綠巖、流紋巖巖脈及伴生的花崗巖后期侵入(Ewartetal., 1992; Bryanetal., 2000)。

Malani硅質大火成巖省位于印度西北部，其面積大于55000km2，是目前為數(shù)不多的元古宙硅質大火成巖省，形成于760±10Ma，其巖石組合具有雙峰式的特點，但以硅質巖石為主，還有較多伴生的花崗質巖石和鎂鐵質與長英質巖脈侵入體(de Walletal., 2018)。

South China硅質大火成巖省主要分布在中國東南沿海的浙江、福建、江西、廣東一帶，其分布面積105km2以上，如果將與其有成因聯(lián)系的花崗巖考慮在內，其體積在1.5×105km3以上，巖石組合由流紋質熔結凝灰?guī)r、流紋巖-玄武巖雙峰式組合構成(王德滋和周金城, 2005; Wangetal., 2016)。

2.2 巖石主微量元素組成

在TAS圖解上，可見硅質大火成巖省從成分上由基性巖到酸性巖均有產出，包括玄武巖-安山巖-英安巖-流紋巖一系列熔巖以及不同成分的火山碎屑巖，其中又以SiO2>60%的中酸性巖石為主(圖2a)，大量產出的流紋質凝灰?guī)r是構成硅質大火成巖省的主體，這些巖石多為鈣堿性系列(圖2a)，顯示在準鋁質和過鋁質之間過渡的性質(圖2b)。硅質大火成巖省中鈣堿性的中酸性巖漿巖多具有斜長石、堿性長石、石英、黑云母、角閃石斑晶，具有I型花崗質巖石的特點，而10000Ga/Al的值指示了其從I型向A型花崗質巖石過渡的特點(圖2c, d)。不同大火成巖省的巖漿巖樣品在SiO2與TiO2、MgO、Al2O3、CaO、K2O的哈克圖解上顯示出了十分相似的演化趨勢(圖3)；同時，在球粒隕石標準化稀土元素配分型式圖和原始地幔標準化微量元素蛛網圖上，這些樣品也展現(xiàn)出了趨勢相似、配分曲線大致平行的特點，均具有不同程度的Nb、Ta的負異常及Ba、Eu、Sr、Ti、P的虧損(圖4)；這說明世界上不同地區(qū)、不同年代的硅質大火成巖省可能是在類似的環(huán)境下形成的，這類巨量中酸性巖石所構成的大火成巖省可能具有相似的形成機制(Bryan and Ernst, 2008)。

圖2 五個硅質大火成巖省巖漿巖地球化學判別圖解(a) TAS圖解(底圖據(jù)Le Bas et al., 1986)；中酸性巖漿巖(SiO2>60%)A/CNK-A/NK圖解(b,底圖據(jù)Maniar and Piccoli, 1989)、10000Ga/Al -Nb判別圖(c,底圖據(jù)Whalen et al., 1987)和10000Ga/Al-Zr判別圖(d,底圖據(jù)Whalen et al., 1987). A-A型花崗質巖石;I-I型花崗質巖石;S-S型花崗質巖石;M-M型花崗質巖石.數(shù)據(jù)來源：Sierra Madre Occidental(Wark, 1991; Albrecht and Goldstein, 2000; Ferrari et al., 2007)、Whitsunday(Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000)、Chon Alike(其中南極洲Peninsula數(shù)據(jù)來自Riley et al., 2001；南美洲Patagonia數(shù)據(jù)來自Pankhurst and Rapela, 1995)、Malani(Van Lente et al., 2009; de Wall et al., 2018; Wang et al., 2018)、South China (Wang et al., 2016). 后圖數(shù)據(jù)來源和圖例同此圖Fig.2 Geochemical discrimination diagrams for igneous rock samples from five S-LIPs(a) TAS diagram for igneous rock samples from five S-LIPs (after Le Bas et al., 1986); (b) A/CNK vs. A/NK diagram (after Maniar and Piccoli, 1989); (c) 10000Ga/Al vs. Nb diagram (after Whalen et al., 1987); (d) 10000Ga/Al vs. Zr diagram (after Whalen et al., 1987). A-A-type granitoid; I-I-type granitoid; S-S-type granitoid; M-M-type granitoid. Data source: Sierra Madre Occidental (Wark, 1991; Albrecht and Goldstein, 2000; Ferrari et al., 2007), Whitsunday (Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000), Chon Alike (Peninsula from Riley et al., 2001; Patagonia from Pankhurst and Rapela, 1995), Malani (Van Lente et al., 2009; de Wall et al., 2018; Wang et al., 2018), South China (Wang et al., 2016). Data source and symbols are listed in this figure

圖3 五個硅質大火成巖省巖漿巖樣品的哈克圖解SiO2對TiO2 (a)、Al2O3 (b)、MgO (c)、CaO (d)、Na2O (e)和K2O (f)圖解Fig.3 Harker diagrams for igneous rock samples from five S-LIPsSiO2 against TiO2 (a), Al2O3 (b), MgO (c), CaO (d), Na2O (e) and K2O (f) diagrams

圖4 五個硅質大火成巖省中酸性巖漿巖(SiO2>60%)球粒隕石標準化稀土元素配分型式圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)(標準化值據(jù)McDonough and Sun, 1995)Fig.4 Chondrite-normalized REE pattern (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) for intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs (normalized values from McDonough and Sun, 1995)

2.3 大規(guī)模長英質巖漿成因

流紋質巖漿可以主要由以下兩種機制形成：地殼部分熔融，或者中基性巖漿發(fā)生高程度分離結晶作用。Rileyetal. (2001)認為Chon Alike的酸性巖石由地殼部分熔融形成，而Pankhurstetal. (1998)雖然認可由底侵巖漿導致地殼熔融形成酸性巖漿的機制，但同時指出Chon Alike大火成巖省中有大量的流紋質巖石的化學組成，同樣也都可以通過中基性巖漿分離結晶模型模擬得到，所以不一定全部都是地殼部分熔融形成。在二十世紀八九十年代，Cameron及其合作者(Cameronetal., 1980)通過一系列的研究認為Sierra Madre Occidental 的硅質巖漿主要來源于幔源鎂鐵質巖漿的分離結晶，并且?guī)缀鯖]有受到地殼混染的影響，但Bryan and Ernst (2008)的研究表明，Sierra Madre Occidental中鋯石U-Pb測年的年齡普遍大于斜長石或黑云母40Ar/39Ar測年的年齡，因此他們推測這些鋯石是源于早期形成的深成巖體的繼承鋯石，反應了早期巖漿底侵地殼加厚，和隨后地殼重熔生成硅質巖漿的過程。Ewartetal. (1992)認為Whitsunday的中酸性巖石是幔源巖漿和新生下地殼重熔形成的流紋質巖漿混合后，再經歷了不同程度分離結晶的產物。

如上所述，盡管對硅質大火成巖省長英質巖石的成因仍有爭議，但多數(shù)學者還是傾向于大規(guī)模長英質巖漿是由地殼部分熔融形成(Rileyetal., 2001; Bryan, 2007; Bryan and Ernst, 2008)，因為玄武質巖漿通過分離結晶通常只能形成約5vol.%的流紋質巖漿，而如果要完全通過分離結晶作用形成大火成巖省規(guī)模的酸性巖漿(>105km3)，則意味著至少在深部存在數(shù)十倍于大火成巖省體積的堆晶，這幾乎是不可能的(王德滋和周金城, 2005)。

地殼部分熔融能否形成大規(guī)模長英質巖漿取決于兩個關鍵因素：(1)地殼的含水量及組成；(2)地幔能否提供足夠的熱量(Bryanetal., 2002; Bryan and Ferrari, 2013)。

前人通過實驗巖石學的方法模擬含水玄武巖、變玄武巖、角閃巖在不同物理化學的條件下的部分熔融(Helz, 1976; Spulber and Rutherford, 1983; Beard and Lofgren, 1989, 1991)，結果表明其熔體中Al2O3含量主要受水含量影響，氧逸度和起始組分則為次要因素。因為較高的水壓(PH2O)可以縮小斜長石和石英的穩(wěn)定范圍，因此PH2O越高，這些長英質礦物就越容易熔融，熔體中Al2O3含量就越高(Spulber and Rutherford, 1983; Conradetal., 1988)。Thyetal. (1990)的研究表明冰島流紋巖落在PH2O<1kbar的范圍內，因此認為這些流紋巖源于地殼的部分熔融。而在圖5中，五個硅質大火成巖省的中酸性巖石與冰島流紋巖類似，均落入PH2O<1kbar的范圍內，指示其可能為富水下地殼熔融的產物。此外，區(qū)別于鎂鐵質大火成巖省巖石無含水礦物，硅質大火成巖省中的長英質巖石多以具有角閃石、黑云母等含水斑晶為特征，同樣指示其來自富水的源區(qū)(Bryan, 2007)。

圖5 含水玄武質地殼在不同PH2O下熔融形成熔體中SiO2與Al2O3協(xié)變圖(據(jù)Thy et al., 1990修改，實驗巖石學數(shù)據(jù)來自Helz, 1976; Spulber and Rutherford, 1983; Beard and Lofgren, 1989)巖石樣品為來自5個不同硅質大火成巖省的中酸性巖漿巖(SiO2>60%)Fig.5 SiO2 vs. Al2O3 in the melts produced by partial melting of hydrous basaltic crust under different PH2O (after Thy et al., 1990, experimental petrology data from Helz, 1976; Spulber and Rutherford, 1983; Beard and Lofgren, 1989)The rock samples are intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs

地殼發(fā)生大規(guī)模的熔融需要其底部有足夠的熱量進行加熱，前人的研究通常將其解釋為底侵的玄武質巖漿烘烤下地殼，如Sierra Madre Occidental(Bryan and Ferrari, 2013)；而這一熱源也可能是地幔柱，如Chon Alike就被認為是Gondwana大陸裂解時，形成Karoo鎂鐵質大火成巖省的地幔柱加熱下地殼部分熔融的產物(Rileyetal., 2001; Bryan, 2007)。從能量守恒的角度出發(fā)，如果地殼熔融形成了大火成巖省規(guī)模的酸性巖漿，那么為之提供熱量的熱源(鎂鐵質巖漿)的體積應當同樣至少有大火成巖省的規(guī)模。Ernst (2014)提出每個硅質大火成巖省實際上都可以被認為是“隱伏的鎂鐵質大火成巖省”，即在地殼深部存在大火成巖省體積的鎂鐵質巖體。鎂鐵質大火成巖省一般出現(xiàn)在古老的、幾乎不含水的地殼內，這是因為當?shù)蒯Ｖ蛏弦苿訒r，由于含水量低而“較脆”的地殼的拉張減薄，易于形成巖漿運移通道，巖漿房中的鎂鐵質巖漿能夠沿通道噴出形成鎂鐵質大火成巖省。而硅質大火成巖省的地殼通常含水量較高，難以形成深而狹長的巖漿通道將大量鎂鐵質巖漿運移至地表，同時，地殼大規(guī)模熔融形成的大量硅質巖漿，在上方構成了天然的屏障，進一步阻礙了下部鎂鐵質巖漿的噴發(fā)(Bryan, 2007; Turner and Campbell, 1986)。Huangetal. (2015)通過地震波縱波反演的方法證實了在Yellowstone的上地殼(5～10km)處存在一個流紋質巖漿房，并且在下地殼(20～50km)處還存在一個是其體積4.5倍的玄武質巖漿巖體，它提供的熱量使得上部地殼能夠部分熔融形成流紋質巖漿巖。這一研究為硅質大火成巖省所在區(qū)域深部存在隱伏的鎂鐵質大火成巖省的設想提供了證據(jù)。

此外，這些中酸性巖石具有不同程度的Ba、Eu、Sr、Ti、P的負異常(圖4b)，暗示其在巖漿演化過程中經歷了不同程度的長石、鈦鐵氧化物、磷灰石等分離結晶作用，而大量的分離結晶作用會加大這些微量元素的負異常，使殘余熔體中SiO2含量不斷升高(>75%)，從而使硅質大火成巖省中的巖石顯示出從I型向A型花崗質巖石過渡的特點。

2.4 源區(qū)性質

不同硅質大火成巖省的Sr-Nd同位素組成具有較大的區(qū)別(圖6)，Whitsunday的εNd(t)值最高，多數(shù)在+2～+7之間，87Sr/86Sr(t)比值在0.7040左右，其Nd模式年齡(tDM)為250～600Ma；Sierra Madre Occidental的εNd(t)值稍低，主要在-1～+4之間，87Sr/86Sr(t)比值主要集中在0.7040～0.7060；Chon Alike多數(shù)樣品的εNd(t)值與Sierra Madre Occidental大致相似，87Sr/86Sr(t)比值主要集中0.7040～0.7080，tDM年齡主要為1～1.2Ga，少數(shù)樣品具有小于-7的εNd(t)值和大于0.7160的87Sr/86Sr(t)比值；Malani多數(shù)樣品的87Sr/86Sr(t)比值大于0.7140，εNd(t)值在-11～-7之間，個別樣品具有高的εNd(t)值和小于0.704的87Sr/86Sr(t)比值；我國華南的εNd(t)值在-7～-2之間，其tDM2年齡多數(shù)大于1.4Ga。

圖6 五個硅質大火成巖省中酸性巖漿巖(SiO2>60%)的87Sr/86Sr(t)-εNd(t)圖解Fig.6 87Sr/86Sr(t) vs. εNd(t) diagram for intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs

各硅質大火成巖省中酸性巖漿巖的Sr-Nd同位素差別可能反應了地殼性質的差別。Ewartetal. (1992)認為Whitsunday較高的εNd(t)值、低87Sr/86Sr(t)比值，及年輕的tDM年齡指示其可能是古生代至中生代新生地殼熔融的產物；Bryan and Ernst (2008)綜合考慮Sierra Madre Occidental的εNd(t)值和巖石中繼承鋯石的特征，認為其形成可能與早期俯沖有關的下地殼中火成巖的重熔關系密切；Pankhurstetal. (1998)和Rileyetal. (2001)的研究認為Chon Alike多數(shù)樣品中等的εNd(t)值和較老的tDM年齡，反應了元古代地殼的熔融，而少數(shù)具有極低的εNd(t)值和極高的87Sr/86Sr(t)比值的樣品則可能是沉積巖熔融的產物；de Walletal. (2018)和Wangetal. (2018)認為Malani中具有低的εNd(t)值和高的87Sr/86Sr(t)比值的樣品可能與其較老的形成時間(～750Ma)有關，指示了地幔上涌使得古老下地殼熔融的成巖過程，而少量具有較為原始的同位素特征的樣品則可能是幔源玄武質巖漿分離結晶或殼幔巖漿混合的結果；Wangetal. (2016)的研究認為我國華南中等的εNd(t)值是巖漿底侵形成的新生地殼和古老地殼熔融后混合的結果。

如上所述，雖然同位素組成有差異，但前人對這些大火成巖省的研究都表明先前形成的地殼的年代和性質決定了硅質大火成巖省產出的中酸性巖石的地球化學特征。而幾乎所有硅質大火成巖省均靠近大陸邊緣，產出的巖石多含有角閃石、黑云母等含水斑晶(Bryan, 2007)，同時，在其微量元素蛛網圖上具有明顯的Nb、Ta、Ti的負異常(圖4b)，這些證據(jù)均指示硅質大火成巖省的中酸性巖石的源區(qū)受到了早期俯沖流體交代的影響。早期的俯沖流體交代地幔楔，伴隨著巖漿底侵和地殼垂向生長，逐漸在下地殼處形成了大量富集的、含水的物質(Tamura and Tatsumi, 2002; Clemensetal., 2011; Bryan and Ferrari, 2013)，而隨著玄武質巖漿底侵(或地幔柱)從地幔向地殼輸送大量的熱量，使得先前形成的富水的下地殼發(fā)生大規(guī)模的重熔和再循環(huán)，從而形成了構成硅質大火成巖省的巨量酸性巖漿。因此這些中酸性巖石繼承了與俯沖有關的地球化學特征，在Pearceetal. (1984)提出的Nb-Y的花崗質巖石判別圖解上，來自五個硅質大火成巖省的樣品均展現(xiàn)出了一致的、由匯聚板塊邊界向板內環(huán)境過渡的特點(圖7)。

圖7 五個硅質大火成巖省中酸性巖漿巖(SiO2>60%)Nb-Y構造判別圖解(底圖據(jù)Pearce et al., 1984)Fig.7 Nb vs. Y diagram for tectonic discrimination for intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs (after Pearce et al., 1984)

2.5 形成機制

目前世界上主要的硅質大火成巖省幾乎都在板塊邊緣呈帶狀分布，其形成被認為與俯沖作用有關(Bryan, 2007)，但需要注意的是，多數(shù)學者的研究表明，硅質大火成巖省并不是在俯沖的環(huán)境中形成的，而是在后期拉伸的板內環(huán)境中形成的(Sierra Madre Occidental; Ferrarietal., 2018; Bryan and Ferrari, 2013)，因此往往與大陸裂解在時空上關系密切。早期的俯沖一方面在下地殼處形成了大量富集、富水的物質，為大規(guī)模長英質巖漿的形成提供了物質來源；另一方面，俯沖作用帶來的流體交代使得地殼含水量升高，使其固相線下降，從而使得地殼的大規(guī)模熔融成為可能。

綜上所述，硅質大火成巖省的形成機制可歸納為：早期持續(xù)的俯沖交代使得地殼垂向生長，形成了富水的地殼，隨著俯沖結束，構造環(huán)境由匯聚的板塊邊界向板內伸展環(huán)境轉變，有大火成巖省規(guī)模的玄武質巖漿向上底侵至殼幔邊界或侵入下地殼形成深成巖體(也可能是地幔柱上升至殼幔邊界)，這一過程將巨大的熱量從地幔輸送至地殼，并觸發(fā)了大規(guī)模的地殼熔融，形成了巨量的酸性巖漿，這些位于上部的酸性巖漿密度小，阻礙了下部玄武質巖漿的上涌，并在拉張的環(huán)境下由破火山機構噴出地表，形成了巨厚堆積的流紋質熔結凝灰?guī)r，在地表形成了硅質大火成巖省。同時，大量未能噴發(fā)的玄武質巖漿在地殼深部形成了“隱伏的鎂鐵質大火成巖省”。

3 硅質大火成巖省與環(huán)境

在鎂鐵質大火成巖省形成過程中，火山作用釋放大量氣溶膠，可能以兩種方式對全球氣候產生影響：一種是玄武質巖漿噴發(fā)時伴隨著大量的二氧化硫(SO2)，在大氣中形成了大量的硫酸鹽(H2SO4)氣溶膠，這些氣溶膠吸收太陽輻射，從而導致全球降溫(Selfetal., 2005)；另一種是巖漿噴發(fā)伴隨著大量二氧化碳(CO2)的釋放，導致了溫室效應和海洋的酸化(Wignall, 2001, 2005)。由鎂鐵質大火成巖省所引起的氣候變化也被認為可能是生物大滅絕的重要誘因(Wignall, 2001)。然而，要引起全球范圍內的氣候變化有一個重要的前提：伴隨巖漿噴發(fā)形成的氣溶膠必須能夠穿過對流層，進入平流層。這是因為對流層中的氣溶膠很容易被大氣降水所帶走，無法在大氣中長時間停留造成全球性的影響(Thordarsonetal., 2009; Blacketal., 2012)。然而，鎂鐵質大火成巖省熔巖噴溢(熔巖噴泉)的高度不可能達到平流層，所以雖然其具有較大的體積，但是能否影響全球氣候環(huán)境造成急劇變化仍有較大爭議。

近年來的研究表明，硅質大火成巖省的巖漿活動，能夠對全球氣候造成更大規(guī)模的影響。這是因為相比于鎂鐵質大火成巖省中溢流玄武巖只有<5km的噴發(fā)高度，只能將氣溶膠噴射入對流層中(Selfetal., 1997)，硅質大火成巖省的火山作用能夠將SO2氣溶膠和火山灰送入更高的平流層，參與全球的大氣對流，更顯著的引發(fā)全球氣候變冷(Bryan, 2007)。此外，大規(guī)模硅質巖漿噴發(fā)所形成的火山灰能夠使海洋富鐵，促進浮游生物的繁殖和光合作用，將大氣中的CO2氣體轉變?yōu)橛袡C碳，從而導致全球降溫(Catheretal., 2009)。

現(xiàn)代通過衛(wèi)星測算的與俯沖相關的安山巖-英安巖噴發(fā)時所釋放的SO2量，比通過巖石學手段計算出的這些中酸性巖漿所溶解的S含量高出了一到兩個數(shù)量級，而現(xiàn)代板內玄武質巖漿的形成過程中卻并未出現(xiàn)類似的情況(Westrich and Gerlach, 1992; Sharma, 2004)，這說明在硅質大火成巖省形成過程中，可能有大量的單獨以氣相存在的SO2在噴發(fā)前已經釋放(Wallace, 2001; Bryan, 2006)，因此硅質大火成巖省對氣候的影響可能被大大低估了。前人研究表明S為巖漿成因(Wallace, 2001)，但硅質巖漿僅能溶解少量的S，而富H2O-CO2-S氣體的鎂鐵質巖漿則是SO2的重要來源，硅質大火成巖省的形成又意味著區(qū)域深部存在巨量的鎂鐵質巖漿(即隱伏的硅質大火成巖省)(Ernst, 2014)，因此推測硅質大火成巖省噴發(fā)前釋放的大量SO2氣體可能源于下方為地殼熔融提供熱源的鎂鐵質巖漿。

4 硅質大火成巖省與礦產資源

由于巨量的巖漿活動極大促進了地幔到地殼之間的物質和能量交換，以及早期的俯沖作用使得地殼富水，使得硅質大火成巖省具備形成熱液礦床的條件，如在Sierra Madre Occidental約0.5×106km2區(qū)域內分布了近800個貴金屬淺成低溫熱液礦床(Camprubíetal., 2003; Murray and Busby, 2015)，因此具有重要的經濟意義。

硅質大火成巖省中的礦床以低硫化型Au-Ag淺成低溫熱液礦床為主，如Sierra Madre Occidental的Guanajuato、La Guitarra礦床(Camprubíetal., 2003)，Chon Alike的Cerro Vanguardia、La Josefina礦床(Schalamuketal., 1997; Moreira and Fernndez, 2015)，以及中國華南的水口山地區(qū)的Au-Ag-Pb-Zn礦床(華仁民等, 2005)。此外，也有少量的高硫化型和斑巖型Cu-Au礦床和火山型塊狀硫化物礦床(Staude and Barton, 2001; Zawetal., 2003)。Bryan (2007)提出硅質大火成巖省中的熱液成礦系統(tǒng)的形成與火山塌陷構造、破火山機構周邊斷層和沿地塹的伸展性斷層關系密切，這些斷裂和斷層為熱液的運移提供了通道。這些礦床成礦的時代(如La Guitarra：23～18Ma；Cerro Vanguardia：153～138Ma)通常對應各硅質大火成巖省中巖漿活動主峰期的最后階段(表1)，指示熱液成礦作用主要發(fā)生在硅質大火成巖省形成的末期，即巖漿活動的強度在中-上地殼達到峰值的時期(Bryan, 2007)。

5 我國硅質大火成巖省展望

通過上述對比研究，我們歸納總結了硅質大火成巖省的幾條識別依據(jù)：(1)中酸性火山碎屑巖或熔巖覆蓋面積在105km2以上，且持續(xù)時間基本在40Myr之內，并具有一個或多個峰期；(2)板塊邊緣有大量火山機構(破火山口)發(fā)育的地區(qū)；(3)鎂鐵質大火成巖省附近的地區(qū)(尤其是有相對較多長英質巖石產出的鎂鐵質大火成巖省)。根據(jù)這些識別依據(jù)，我國境內很可能存在不止一個硅質大火成巖省。

東南沿海地區(qū)分布有大量的晚中生代中酸性巖漿巖。王德滋和周金城(2005)在國內最早指出浙江、福建、江西一帶廣泛分布的白堊紀中-酸性火山巖及與之有成因聯(lián)系的花崗巖，其總面積超過105km2，體積可達1.5×105km3，構成了一個長英質大火成巖省。他們進一步指出其中的火山巖具有鈣堿性和高鉀鈣堿性系列的特點，認為其成巖物質來源可能具有殼?；煸吹男再|，中酸性火山巖的形成可能與基性巖漿底侵導致的地殼發(fā)生大規(guī)模部分熔融有關。張旗(2013)將中國東部燕山期巖漿巖劃分為4個長英質大火成巖省，他將王德滋和周金城(2005)劃分的大火成巖省范圍進一步擴大到廣東省，命名為東南沿海大火成巖省，認為其形成年齡為130～110Ma，面積約為3.5×105km2，并指出巨量長英質巖漿的形成可能與地幔柱直接抵達下地殼導致下地殼發(fā)生熔融有關。最近，Wangetal. (2016)將分布在浙江、福建和廣東的晚中生代巖漿巖命名為華南-沿海硅質大火成巖省(South China Block-Coastal Region, SCB-CR SLIP)，其分布面積約為105km2，他們將巖漿活動劃分為4個期次，年齡跨度為149～100Ma，但主要集中在128～110Ma，認為其形成與板塊俯沖以及隨后的俯沖板片回撤導致的弧后伸展作用有關。由此可見，多數(shù)學者認為我國東南沿海地區(qū)可能構成一個硅質大火成巖省，但是其分布范圍和活動時間以及成因還遠沒有達成一致認識。

此外，在我國境內的中亞造山帶有大量的早二疊世(～280Ma)巖漿巖產出，如準噶爾地區(qū)，有大量形成年齡為276.0～279.8Ma的流紋巖及相應的花崗巖，并顯示出由I型向A型花崗質巖石過渡的特征(Lietal., 2014)；在天山造山帶，有大量形成于273～304Ma(峰值在～280Ma)的鉀長花崗巖、二長花崗巖、花崗閃長巖產出，多具有I型花崗巖的特征(黃河等, 2011)，相應的火山巖比較少，可能與剝蝕程度有關；除了長英質巖石之外，在阿爾泰-準噶爾以及天山-北山等地區(qū)還有一些同時代的鎂鐵質-超鎂鐵質侵入巖，并且這些侵入巖常產出有銅鎳硫化物礦床。同時，近年來的研究表明，在緊鄰準噶爾和天山造山帶的塔里木大火成巖省中，也發(fā)育有巨量的長英質巖石(～20vol.%)，分布面積可達0.48×105km2(程志國等, 2019)，主要巖性為粗面英安巖、安山巖、流紋巖、正長巖和火山碎屑巖，形成年代在280～300Ma之間(Xuetal., 2014)；因此，我們推測存在一個與塔里木大火成巖省有密切聯(lián)系的硅質大火成巖省，并可能為硅質和鎂鐵質大火成巖省并存的形成機制提供難得的例證。當然，這只是基于前人年代學和巖石學工作提出的猜想，仍需大量的數(shù)據(jù)進行證實。

6 結論

(1)硅質大火成巖省主要由流紋質熔結凝灰?guī)r構成，具有和鎂鐵質大火成巖省類似的體積和面積，其形成時間相對較長(～40Myr)，多產出在大陸邊緣，可能與大陸裂解和鎂鐵質大火成巖省的形成有關。

(2)硅質大火成巖省的形成可歸結于：前期的俯沖交代地幔楔，伴隨著地殼的垂向生長在下地殼處形成了大量富集、富水的物質，在拉張的板內環(huán)境下大量玄武質巖漿底侵，烘烤富水的下地殼使其發(fā)生大規(guī)模熔融形成巨量的中酸性巖漿。

(3)硅質大火成巖省下方的鎂鐵質巖漿向上輸送了大量SO2氣體，并隨著大規(guī)模的硅質巖漿活動形成氣溶膠噴射進入平流層，同時，大量的火山灰可能使得海洋富鐵，通過生物光合作用吸收大氣CO2，從而導致全球氣候變冷。

(4)硅質大火成巖省中有大量低硫化型Au-Ag淺成低溫熱液礦床產出，具有重要的經濟價值。

(5)在我國的華南地區(qū)、中亞造山帶及其南部的塔里木克拉通，可能存在硅質大火成巖省，后者可能是當今鎂鐵質大火成巖省和硅質大火成巖省并存的典型例證。

致謝感謝終審主編和各位審稿人對本文提出的寶貴意見和建議，感謝本刊編輯部老師對本文的指導和細致修改，對提高本文的質量起到了重要的作用。