当前大陆地壳整体成分上SiO₂含量中等，以南美安第斯山特征的安山岩为代表，被认为是地幔分异的产物。但是，其成分与地幔熔融直接产生的物质（如玄武岩）相比，强烈地亏损铁和富集硅。那么，是什么机制“带走”了陆壳中的铁？值得注意的是，在现今活跃的俯冲带里，只有加厚的陆弧环境下才大规模产生铁亏损的钙碱性系列岩浆岩，是窥探大陆地壳形成的重要窗口。但驱动弧岩浆铁亏损的机制有很大争议，根据以往的研究，富铁矿物磁铁矿和石榴子石的分离是最大的两种可能。区分这两种模式对大陆地壳的形成有不同的指示意义。对此，南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室王孝磊教授课题组瞄准该关键问题，与北京大学的唐铭研究员一起，对美国康奈尔大学S.M. Kay教授提供的南美安第斯大陆弧的岩浆岩样品，利用李伟强教授开发的铁同位素分析方法，进行了深入研究。

研究团队注意到，铁同位素可以有效区分这两种导致陆弧岩浆“缺铁”模式，基于的理论基础是，石榴子石分离结晶将使弧岩浆的δ⁵⁶Fe值升高，而磁铁矿的分离则会降低弧岩浆的δ⁵⁶Fe值。对此，该团队对南美洲中安第斯陆弧两套分别产自于加厚地壳（60~70 km）和正常地壳（35~40 km）环境下的岩浆岩样品进行了铁同位素分析。结果显示，来自加厚地壳的岩石显示出强烈的铁亏损和较高的δ⁵⁶Fe值（均值：0.14 ± 0.02‰, 1SD），而来自正常地壳的则表现为中等的铁亏损和相对偏低的δ⁵⁶Fe值（均值：0.10 ± 0.05‰, 1SD）。且这两套样品的δ⁵⁶Fe均高于前人发表的马里亚纳岛弧（薄地壳~20 km，早期铁富集+晚期铁亏损的趋势）样品的值（均值：0.06 ± 0.05‰, 1SD）。


图1 （A）石榴子石（Garnet）和磁铁矿（Magnetite）分离对岩浆δ⁵⁶Fe值的影响。（B）薄地壳（Mariana）、正常地壳（Andean NC）和加厚地壳（Andean TC）铁亏损程度对比。（C）不同地壳厚条件下弧岩浆的δ⁵⁶Fe值对比。实线表示计算的不同结晶程度岩浆的δ⁵⁶Fe值，虚线代表50 wt%结晶程度时，堆晶中石榴子石和磁铁矿含铁量的占比。
这些结果明确地显示：随着弧地壳厚度增加，弧岩浆的铁亏损程度越来越强，其δ⁵⁶Fe值也逐渐升高。这说明，石榴子石的分离才是导致钙碱性系列岩浆强烈Fe亏损的主导机制。而高压下（>45 km）形成的石榴子石具有较高的密度，可通过拆沉的方式返回地幔。因此，石榴子石的分离及拆沉是新生幔源岩浆向安山质陆壳转化过程中的关键一环。这意味着，同岩浆过程的地壳加厚及石榴子石的分离和拆沉是新生大陆地壳形成的重要方式。
这一成果以“What drives Fe depletion in calc-alkaline magma differentiation: Insights from Fe isotopes”为题发表在国际地质学顶级综合期刊《Geology》上。论文的第一作者为南京大学博士生杜德宏，王孝磊教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学****基金、优秀青年基金和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室开放基金的联合资助和支持。
文章链接：https://doi.org/10.1130/G49705.1