南海地区富CO2和P2O5的硅酸盐熔体的不相溶性及其对碱性玄武岩形成的影响

《Journal of Asian Earth Sciences》：Immiscibility of primary CO2-P2O5-rich silicate melt and the genesis of alkali basalts in the South China Sea

本研究在南海珍贝海山发现富含CO2和P2O5的火山岩石，通过岩相和原位分析证实存在液态不混溶现象，揭示HFSE在硅酸盐熔体中的分配规律，为理解碱性硅 undersaturated 岩石与碳酸盐岩共生机制提供新证据。

　　

郝成|张国良

中国科学院海洋研究所海洋观测与预报重点实验室，中国青岛266071

摘要

根据实验研究，在地幔低度熔融过程中，CO₂和P₂O₅会优先被提取出来。然而，目前尚未发现天然存在的富含CO₂-P₂O₅的原始熔体，它们与其他硅酸盐熔体的演化路径和遗传关系仍不明确。本文报道了来自中国南海镇北海山的火山岩，这些火山岩具有整体富CO₂-P₂O₅的特征，硅酸盐含量较低，并且高场强元素（HFSE）呈负异常，类似于碳酸盐岩的特征。我们在这些岩石中发现了两种类型的火山玻璃：一种富含CO₂-P₂O₅，另一种富含碱性硅酸盐，这表明在岩浆过程中发生了不相溶现象。富含CO₂-P₂O₅的玻璃显示出碳酸盐岩型的微量元素特征，而碱性硅酸盐玻璃的微量元素特征与全球海洋岛弧玄武岩（OIBs）和南海的海山玄武岩相似。原位微量元素分析结果显示，HFSE元素倾向于分配到硅酸盐熔体中，导致富含CO₂-P₂O₅的熔体中这些元素含量减少。尽管极端高的P₂O₅富集现象是局部现象，但不相溶的硅酸盐熔体的成分轨迹反映了区域早期的岩浆演化过程。最终，这一罕见的保存实例证明，尽管存在局部保存条件，液态不相溶仍然是生成同时期碳酸盐岩和碱性硅酸盐岩套的物理上可行的机制。

引言

地球内部是一个巨大的碳库，从根本上控制着地幔熔融和岩石形成过程。少量的CO₂/碳酸盐在从地幔源生成贫硅、高碱性的岩浆中起着重要作用（Dasgupta等人，2006年；Hoernle等人，2002年；Humphreys和Niu，2009年；Schmidt和Weidendorfer，2018年）。与CO₂类似，P₂O₅在岩浆过程中也表现为高度不相容的成分（Harrison和Watson，1984年；Watson，1979年）。实验研究表明，P₂O₅在地幔低度熔融过程中起着关键作用，它可以显著降低熔融体的固相线温度并显著富集初始熔体成分（Pausch等人，2024年；Payré和Dasgupta，2022年；W?nke等人，1981年）。含有CO₂的地幔初始熔体可能是一种碳酸盐-磷酸盐液体（Ryabchikov等人，1993年；Ryabchikov和Hamilton，1993年）。研究人员经常引用不相溶的碳酸盐熔体之间的物理分离来解释碱性岩套中碳酸盐岩的普遍存在（Antonelli等人，2023年；Jiang等人，2024年；Luo等人，2024年；Zhang等人，2025年）。关于碱性硅酸盐不饱和岩与碳酸盐岩共同形成的遗传机制仍存在争议（Woolley和Church，2005年；Woolley和Kjarsgaard，2008年）。传统的岩石形成模型主要认为碳酸盐岩直接来源于原始地幔熔体（Harmer和Gittins，1998年；Wallace和Green，1988年），或者是碳酸盐硅酸盐岩浆的极端分结晶作用（Gittins，1988年；Lee和Wyllie，1998年）。然而，越来越多的研究认为液态不相溶是将碳酸盐岩与硅酸盐岩分离的关键机制（Brooker和Kjarsgaard，2011年；Freestone和Hamilton，1980年）。尽管模型将碳酸盐硅酸盐熔体与碳酸盐岩和海洋岛弧玄武岩（OIBs）的起源联系起来（Dasgupta等人，2007年；Yaxley等人，2021年；Zhang等人，2017年），但天然富含磷酸盐的碳酸盐硅酸盐熔体很少与这些岩石明确关联，其形成和演化过程仍不清楚。

由于与碳酸盐岩相关的硅酸盐岩中很少保存液态不相溶的纹理证据，因此通过熔体包裹体（Berndt和Klemme，2022年；Mitchell，2009年；Panina和Motorina，2008年；Sekisova等人，2015年；Thompson等人，2007年）和实验研究（Dasgupta等人，2013年；Martin等人，2013年；Veksler等人，1998年；Veksler等人，2012年）来支持液态不相溶的基本作用。然而，由于熔体包裹体体积小，它们在岩石学上可能不具有代表性，而且实验岩石学的结果不一定能代表天然熔体。硅酸盐液态不相溶的机制在微观尺度上已被广泛认可（Kjarsgaard和Hamilton，1988年；Martin等人，2012年；Nabyl等人，2020年），但对于不相溶熔体之间元素分配的研究较少（例如，富含Nb-Ta的碳酸盐熔体与富含Nb-Ta的碱性硅酸盐熔体）。尽管如此，碱性硅酸盐不饱和岩与火成碳酸盐岩之间的宏观关联仍存在争议，一些人将其解释为液态不相溶的证据（Doucet等人，2023年）。如果能识别出连接宏观和微观尺度的纹理证据，将有力支持硅酸盐液态不相溶在OIBs及其相关火成碳酸盐岩形成中的重要性。目前，P₂O₅对碳酸盐硅酸盐熔体中液态不相溶的贡献尚不清楚，关于天然富含磷酸盐的碳酸盐硅酸盐熔体中各相之间元素分配的研究也尚未进行。

在这项研究中，我们基于对中国南海镇北-黄岩海山链火山岩的直接纹理观察，提供了液态不相溶的证据。我们对这些岩石进行了整体和原位地球化学分析。我们的结果将对原始富含CO₂-P₂O₅的硅酸盐熔体如何在浅层地壳中通过熔体不相溶作用演化，以及全球碳酸盐岩和碱性玄武岩的形成过程有所启示。

地质背景和岩石学特征

中国南海是一个位于欧亚板块、菲律宾海板块和印度-澳大利亚板块交界处的边缘海（图1A）。从古新世早期到始新世，中国南海大陆边缘经历了几乎完整的威尔逊循环，包括大陆裂解、岩石圈减薄和断裂，随后是海底扩张（Franke等人，2014年；Li等人，2015年；Sibuet等人，2016年）。中国南海的海底扩张始于约33百万年前，结束于约1550万年前（Li等人）

全岩主量和微量元素分析

全岩主量元素分析使用Axios顺序X射线荧光光谱仪（XRF）在Sibada有限公司进行，样品在1050°C下用四硼酸锂熔剂熔融制备。通过在1000°C下测定失重（LOI）来确定分析准确性和精度，分别优于5%和2%，使用标准样品AGV-2、BCR-2、GBW-07128和GBW-07133进行监测（补充方法表1）。全岩微量元素分析使用ICP-MS（Thermo Fisher X2）进行。

结果

全岩主量元素的特点是SiO₂含量极低（< 40 wt.%），总碱含量范围较广（1.71–5.83 wt.%），表明其具有强烈的贫硅特性（图S3）。液态不相溶作用产生了两种共存的熔体：一种富含CO₂-P₂O₅的熔体和一种碱性硅酸盐熔体。这两种熔体的组成定义了一个双液体系（图2，图3）。双液体系的存在取决于不相溶的磷酸盐-硅酸盐熔体分离的程度

液态不相溶的纹理和地球化学证据

镇北海山火山岩提供了晚期液态不相溶的有力证据。基体中的两种成分不同的玻璃相提供了直接的纹理证据。一个一致且具有诊断性的特征是在主导的深灰色玻璃基质中存在浅色玻璃边缘（图1C）。这种纹理被解释为一种不相溶液体在凝固前被困在另一种熔体中的液滴。

结论

本研究提供了镇北海山中富含CO₂-P₂O₅的熔体与碱性硅酸盐熔体之间液态不相溶的罕见原位岩石学和地球化学证据。在同一基体中存在两种成分不同的玻璃相，加上系统的元素分配，证实了在岩浆演化过程中发生了不相溶现象。我们的结果表明，HFSE元素强烈分配到了硅酸盐熔体中，形成了OIBs的微量元素特征

作者贡献声明

郝成：撰写——初稿，研究，正式分析。张国良：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源获取，研究构思，资金申请，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢R/V KEXUE号调查船上的工作人员进行了采样工作。本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFF0807400）和深地探测与矿产资源勘探-国家科技重大项目（2025ZD1005003）的财政支持。