摘要：近年來，涌現(xiàn)了大量有關(guān)火成巖數(shù)值巖石學(xué)或化學(xué)巖石學(xué)的論文。但這不但沒有導(dǎo)致科學(xué)問題的減少，反而出現(xiàn)了更多難以理解的難題。導(dǎo)致這種困境的主要原因是許多認識缺乏地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)約束，以及研究人員對火成巖理論研究進展的不關(guān)心。巖漿型礦床的成因是一個典型實例?；诖?，分析了地球化學(xué)數(shù)據(jù)多解性的原因，介紹了巖漿系統(tǒng)的一般性質(zhì)，并以四川攀西地區(qū)白馬鐵鈦氧化物礦床為例，討論了利用地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)約束地球化學(xué)數(shù)據(jù)的方法。在此基礎(chǔ)之上提出：①全巖成分本質(zhì)上不包含成因信息，相容元素的豐度可以表達巖石的潛在相組成，而不相容元素的豐度則可以表達巖石經(jīng)歷過的流體過程，因而數(shù)值巖石學(xué)只有得到嚴格的地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)約束才具有真實地質(zhì)意義；②大型巖漿型礦床的形成同樣需要巨量的含礦流體，透巖漿流體成礦模型可以更合理地解釋白馬鐵鈦氧化物礦床的成因。

關(guān)鍵詞：數(shù)值巖石學(xué)；巖漿成礦系統(tǒng)；火成巖地球化學(xué)；透巖漿流體；鐵鈦氧化物礦床；四川

中圖分類號：P588.1文獻標志碼：A

Abstract： Many contributions to the numerical or chemical petrology of igneous rocks are published in recent years. However， the volume of scientific issues is not decreased， but more and more problems are emerged. The major causes inducing such difficult condition are that many investigations are insufficient to be constrained by the geological， petrological and mineralogical evidences， and that many researchers do not concern to the developments in igneous theory. A typical example is the origin of magmatic deposit. Accordingly， the factors causing diversity of the geochemical interpretations were analyzed； the general features of magma systems were introduced； taking Baima FeTi oxide deposit in Panxi area of Sichuan as an example， the methodology to constrain geochemical data by the geological， petrological and mineralogical evidences was discussed. The results show that ①the numerical petrology has real geological implications only then when it is constrained by geological， petrological and mineralogical evidences， because the bulk composition essentially do not include the genetic information about igneous rocks， but the compatible elements may present the potential phase proportion， and the incompatible elements may present the fluid processes undergone in rocks； ②the formation of giant ore deposit also needs a huge volume of the orebearing fluid， and hence， the transmagmatic fluid model can more reasonably explain the origin of Baima FeTi oxide deposit.

Key words： numerical petrology； magmatic mineral system； geochemistry of igneous rock； transmagmatic fluid； FeTi oxide deposit； Sichuan

0引言

地球化學(xué)理論和測試技術(shù)的飛速發(fā)展使得定量描述火成巖成因與演化成為可能，由此產(chǎn)生了一門新學(xué)科——數(shù)值巖石學(xué)（Numerical Petrology）或化學(xué)巖石學(xué)（Chemical Petrology）。數(shù)值巖石學(xué)以熱力學(xué)或統(tǒng)計學(xué)理論為基礎(chǔ)，以樣本子集的測試數(shù)據(jù)分布規(guī)律為依據(jù)，反演火成巖的形成過程及其地質(zhì)意義。由于樣本子集的時空位置、礦物組合和晶體生長條件強烈影響測試數(shù)據(jù)的性質(zhì)，理論上從數(shù)值巖石學(xué)途徑得出的認識應(yīng)當?shù)玫降刭|(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)的約束。但是，近年來有關(guān)火成巖成因及其地質(zhì)意義的討論經(jīng)常缺乏這樣的約束，有些論文甚至缺乏顯微照片或?qū)r相學(xué)證據(jù)的理解不正確。特別是Rollinson的專著《Using Geochemical Data： Evaluation， Presentation， Interpretation》[1]出版以后，許多研究人員產(chǎn)生了利用地球化學(xué)數(shù)據(jù)可以獨立解決地質(zhì)問題的錯覺，導(dǎo)致所得出的認識往往不完整，或缺乏明確的地質(zhì)意義。因此，數(shù)值巖石學(xué)經(jīng)常遭到非議，被戲稱為“粉末地質(zhì)學(xué)”。導(dǎo)致這種困境的另一種原因是許多研究人員僅關(guān)注地球化學(xué)方法的學(xué)習(xí)，對火成巖理論的研究進展缺乏了解。巖漿型礦床的成因可以作為一個典型實例。盡管這類礦床中早就識別出整合型、不整合型和偉晶巖型礦體[24]，近年來大多數(shù)學(xué)者僅聚焦于整合型礦體成因及其與寄主侵入體演化的關(guān)系，且主要局限于數(shù)值巖石學(xué)方法。目前，大部分研究人員都認為成礦作用與巖漿過程有關(guān)，區(qū)別僅在于：①成礦機制是分離結(jié)晶作用還是液體不混溶；②成礦作用發(fā)生在巖漿演化早期還是晚期。然而，無論是哪一種成礦機制，如果成礦作用發(fā)生在巖漿演化早期，都將要求母巖漿具有不現(xiàn)實的高成礦金屬含量；如果發(fā)生在晚期，則難以解釋成礦金屬聚集的機制，因為這時巖漿的高黏度足以阻止金屬礦物或熔體的聚集。因此，巖漿型礦床的成因研究已經(jīng)走到了一個三岔路口，處于進退兩難的境地[5]?；诖?，本文分析了地球化學(xué)數(shù)據(jù)多解性的原因，介紹了巖漿系統(tǒng)的一般性質(zhì)，并以四川攀西地區(qū)白馬鐵鈦氧化物礦床為例討論了利用地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)約束地球化學(xué)數(shù)據(jù)的方法。

1數(shù)值巖石學(xué)

數(shù)值巖石學(xué)的基本工作方法是根據(jù)野外地質(zhì)特征采集一系列具有某種內(nèi)在聯(lián)系的樣品。例如，在一個噴出巖剖面中，從下到上依次采集的樣品之間必然存在某種成因聯(lián)系。對這些樣品進行測試之后，可以將這種成因聯(lián)系變換成數(shù)值關(guān)系，如氧化物變異趨勢。在這個基礎(chǔ)上，可以通過兩種途徑解釋這種數(shù)值關(guān)系代表的地質(zhì)意義：①結(jié)合巖石學(xué)和礦物學(xué)特征揭示樣品之間的成因聯(lián)系，甄別產(chǎn)生所采集樣本子集的地質(zhì)過程（成因巖石學(xué)）；②與前人發(fā)表的數(shù)據(jù)進行比較，闡明火成巖成因及其形成構(gòu)造環(huán)境（區(qū)域巖石學(xué)）。本文則主要聚焦于成因巖石學(xué)問題。

1.1數(shù)值幾何學(xué)

單個樣品的地球化學(xué)數(shù)據(jù)本質(zhì)上不包含任何成因信息，僅僅表達了巖石的可能相組成。這一點可以清楚地從變質(zhì)巖理論看出。但是，一個樣品子集的數(shù)據(jù)分布型式則與火成巖過程密切相關(guān)。因此，數(shù)值巖石學(xué)研究通常對化學(xué)分析結(jié)果進行投圖，并根據(jù)樣品投點的分布趨勢直觀地提取火成巖成因信息，這種方法可以稱為幾何學(xué)方法。眾所周知，可以導(dǎo)致巖漿化學(xué)成分發(fā)生改變的巖漿過程主要包括部分熔融、分離結(jié)晶、氣體搬運、液體不混溶、巖漿混合等。同化混染作用包括部分熔融和巖漿混合兩個部分，其本身不是一種基本巖漿過程[6]。長期以來，分離結(jié)晶作用被認為是最主要的巖漿過程，20世紀80年代初以來，巖漿混合作用也得到了研究人員的高度重視。

巖漿混合作用涉及任意兩種或兩種以上母巖漿的混合。假定兩種母巖漿P1和P2發(fā)生混合，參與混合的母巖漿P1數(shù)量為x，母巖漿P2為y，且x+y=1，則混合巖漿D=xP1+yP2，其中，P1、P2、D分別表示兩種母巖漿和混合巖漿特征（如元素含量（質(zhì)量分數(shù)，下同））。顯然，D=xP1+yP2是一個直線方程。無論x、y的數(shù)值如何變化，混合巖漿D的投點都應(yīng)當落在母巖漿P1和P2的連線上。因此，如果樣品投點構(gòu)成直線分布趨勢[圖1（a）]，就可以直觀地認為這些樣品（D1～D4）形成于兩種母巖漿（P1和P2）的混合，進而可以估算參與混合的兩種巖漿的比例。但是，如果兩種以上的母巖漿參與混合，投點的分布趨勢將復(fù)雜化，可以呈直線、折線或曲線，與混合作用的性質(zhì)（如母巖漿P3的加入）有關(guān)。

S為分離相，S1、S2為固溶體的兩個端元；P為母巖漿，P1、P2為兩種母巖漿；D為子巖漿，D1～D4為4種子巖漿

分離結(jié)晶作用涉及分離相（S）的性質(zhì)及其晶/液分配系數(shù)。如果分離相為純組成礦物（如石英）且其晶/液分配系數(shù)為常數(shù)，則分離相的分離結(jié)晶將導(dǎo)致子巖漿（D）分布在分離相（S）與母巖漿（P）連線的延長線上[圖1（b）]，D與P的距離取決于分離結(jié)晶程度。即使分離相（S）為固溶體礦物，如果組分Y對于分離相（S）為不相容元素，其分離結(jié)晶作用也必然導(dǎo)致子巖漿的線性演化趨勢[圖1（b）]。例如，由于橄欖石的SiO2含量低于玄武質(zhì)巖漿且不含K2O，當母巖漿發(fā)生橄欖石分離結(jié)晶作用時，子巖漿的K2O含量將隨SiO2含量的增加而直線增加。然而，由于造巖礦物往往是固溶體，且其晶/液分配系數(shù)隨著溫度、壓力、流體條件和液相化學(xué)組成的變化而改變，子巖漿的實際投點位置會不斷偏離預(yù)期的液體血統(tǒng)線（Liquid Line of Descent）。從母巖漿（P）中初始晶出的相為S1，導(dǎo)致子巖漿成分沿著S1與P連線（虛線）的延長線（點劃線）向著遠離P的方向變化。隨著溫度下降，晶出相的成分不斷接近于S2，子巖漿的演化方向?qū)⑵x先前的預(yù)期，最終產(chǎn)生如實線所示的液體血統(tǒng)線[圖1（c）]。此外，當多個相依次發(fā)生分離結(jié)晶或分離相比例隨時間變化時，液體血統(tǒng)線也必然是曲線。

類似地，在部分熔融或液體不混溶過程中，晶/液分配系數(shù)和液/液分配系數(shù)也隨系統(tǒng)的溫度、壓力、流體條件和液相化學(xué)組成的變化而改變，因而樣品投點在XY簡化變異圖解中也往往呈曲線分布趨勢。氣體搬運作用比較復(fù)雜，因為流體泡（Fluid Bubble）既可以搬運固體[7]，也可以搬運熔體[8]，更常見的形式則是搬運溶質(zhì)[910]。在后一種情況下，流體過程通常造成不相容元素的豐度出現(xiàn)異常變化。但是，絕大多數(shù)研究人員依然囿于教科書中介紹的概念，認為巖漿通常為流體不飽和系統(tǒng)，因而流體過程的化學(xué)效應(yīng)迄今所知甚少。

由此可見，相同的巖漿過程可以產(chǎn)生不同的投點分布趨勢，而不同的巖漿過程也可以產(chǎn)生相同的投點分布趨勢。換句話說，理論上不能證明某種投點分布趨勢與特定的巖漿過程相關(guān)。因此，地球化學(xué)圖解的解釋過程中往往需要引入其他約束條件。由于全巖地球化學(xué)主要反映了可能的相組合，礦物學(xué)證據(jù)通常是地球化學(xué)圖解的首要約束條件。

1.2相容元素

數(shù)值巖石學(xué)通常將元素劃分成相容元素（趨于進入共生晶體的元素，D晶體/熔體值大于1或D晶體/流體值大于1）和不相容元素（趨于進入共生熔體或流體的元素，D值小于1）。主量元素是最重要的相容元素，其地球化學(xué)行為也容易用巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)檢驗，因而在火成巖成因討論中具有重要意義。利用主量元素進行成因分析時，對于表1所示的一組假定成因上相關(guān)的火山巖化學(xué)分析結(jié)果，可以制作SiO2含量或Mg#值對其他氧化物的變異圖解，并利用目測或回歸分析方法闡明投點的分布趨勢（圖2）。從圖2可以看出，樣品投點展現(xiàn)了3種分布趨勢：①TiO2、Fe2OT3、MgO和CaO含量都隨SiO2含量的增加而減少，投點呈曲線趨勢；②Al2O3和Na2O含量先隨著SiO2含量的增加而增加，然后隨SiO2含量的增加而減少，投點也呈曲線趨勢；③K2O含量隨SiO2含量的增加而增加，但投點呈直線趨勢。據(jù)此，可以假定這些樣品之間以分離結(jié)晶作用相聯(lián)系；如果這種假定可信，就可以進一步認為K是一種不相容元素，意味著分離相為無K2O礦物（如橄欖石、輝石、磁鐵礦）。按照這種邏輯，TiO2、Fe2OT3、MgO和CaO似乎初始為強相容元素，在安山巖之后變?yōu)槿跸嗳菰兀欢鳤l2O3和Na2O則先為不相容元素，在安山巖之后變?yōu)閺娤嗳菰?。?jù)此可以推斷，玄武質(zhì)巖漿可能先經(jīng)歷了橄欖石+單斜輝石+鐵鈦氧化物組合的分離結(jié)晶，然后是斜長石的分離結(jié)晶。

如果這種推測可信，進一步可以外推母巖漿的成分。由于初始分離相不含K、Na、Al，且樣品投點在K2OSiO2圖解[圖2（g）]中呈線性趨勢，可以假定母巖漿中的K2O含量為無窮小。連接玄武安山巖（BA）與玄武巖（B），其連線的延長線（虛線）與橫坐標的交點可以近似代表母巖漿的SiO2含量（475%）。通過該點作一條平行于縱坐標軸的直線（虛線），則各氧化物投點趨勢與該直線的交點對應(yīng)縱坐標值就可以認為是它們在母巖漿中的豐度（表1中再造的母巖漿）。因此，數(shù)值分析似乎證實了關(guān)于分離結(jié)晶作用的推測。

但是，這種“證實”不是真正的證實，因為缺乏交叉證據(jù)的約束。如前所述，部分熔融、分離結(jié)晶和液體不混溶都可以產(chǎn)生曲線型分布趨勢，僅根據(jù)分布趨勢難以對它們進行區(qū)分。為了檢驗上述認識，可以通過巖相學(xué)觀察尋找橄欖石等礦物發(fā)生分離結(jié)晶作用的證據(jù)（如先晶出礦物成為后晶出礦物的包裹體），也可以通過數(shù)值模擬檢驗分離結(jié)晶作用的可能性。例如，根據(jù)斯托克（Stocks）定律（v=2r2g（ρc-ρm）/9h），

晶體半徑（r）和熔體黏度（h）對晶體沉降速度（v）起著重要的控制作用，而晶體和熔體的密度差（ρc-ρm）主要決定了晶體運動的方向。假定玄武巖、玄武安山巖、安山巖、英安巖、流紋英安巖、流紋巖的溫度分別為1 200 ℃、1 100 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃、700 ℃，利用Giordano等的計算程序[12]，可以得到它們的熔體黏度分別為25、8.2、32.0、1734、942.7、5 8828 Pa·s。至少到英安巖時，子熔體黏度已經(jīng)比初始玄武質(zhì)熔體黏度增加了約68倍。因此，即使不考慮晶體分數(shù)對巖漿總黏度的影響，熔體黏度的大幅升高也可能足以終止分離結(jié)晶過程。此外，晶體沉降速度與晶體半徑的平方成正比，意味著晶體只有生長到足夠大時才具有較快的沉降速度，否則晶體將主要呈懸浮態(tài)分散在熔體中。懸浮晶體的存在將進一步升高巖漿的總黏度。當懸浮晶體體積分數(shù)為20%～25%時，分離結(jié)晶作用實際上不可能發(fā)生[13]。據(jù)此可以認為，巖漿的流變學(xué)性質(zhì)不支持高度分離結(jié)晶模型，對于長英質(zhì)巖漿系統(tǒng)尤其如此。

鑒于主量元素圖解的多解性，微量元素被廣泛用于探討火成巖成因。這種方法的理論基礎(chǔ)是微量元素服從稀溶液定律，因而有利于投點分布趨勢的外推。此外，微量元素的豐度變化幅度要比主量元素大得多，可以提高圖解的分辨率。但是，微量元素的圖解同樣存在多解性。例如，對于斜長石來說，Eu在還原條件下具有相容元素的屬性，可以置換斜長石晶格中的Ca，而在氧化條件下則具有不相容元素的屬性。因此，Eu異常的存在與否既不能直接證明斜長石的分離結(jié)晶作用，也不能獨立說明斜長石在源區(qū)的穩(wěn)定性。

1.3不相容元素

不相容元素在巖漿過程中傾向于進入熔體相和流體相，這種性質(zhì)使得它們被認為更合適用來模擬封閉系統(tǒng)的巖漿過程。

例如，稀土元素由一組地球化學(xué)行為非常相近的元素組成，然而每一種元素都比其后面的元素具有略強的不相容性，因而它們的地球化學(xué)行為將有所區(qū)別[14]。據(jù)此可以用相容性相對弱和相對強的元素對制作圖解，以判斷樣本子集經(jīng)歷過的潛在巖漿過程。例如，常用w（Ce）N和w（Ce）N/w（Yb）N作圖，以區(qū)分部分熔融和分離結(jié)晶過程（圖3）。

A為封閉系統(tǒng)的低壓分離結(jié)晶作用的投點分布趨勢；B為開放系統(tǒng)的低壓分離結(jié)晶作用的投點分布趨勢；C為開放系統(tǒng)的高壓分離結(jié)晶作用的投點分布趨勢；D為石榴石二輝橄欖巖的平衡批式部分熔融的投點分布趨勢，數(shù)字表示熔融程度（%）；F為假象的

富集型玄武巖漿分離結(jié)晶作用的投點分布趨勢；w（·）N[KG-30x]為元素含量球粒隕石標準化后的值；底圖引自文獻[14]

Ce不相容性較強，在初始熔體（P）中具有最高的豐度；相應(yīng)地，初始熔體也具有最大的w（Ce）/w（Yb）值。隨著部分熔融程度的增加，進入熔體的Ce越來越少，而Yb則相對增多。因此，熔體中w（Ce）和w（Ce）/w（Yb）值同步減少，樣品投點在CeN（Ce/Yb）N圖解中構(gòu)成一條具有正斜率的直線。相反地，在分離結(jié)晶過程中，由于稀土元素均為不相容元素，樣品投點在CeN（Ce/Yb）N圖解中構(gòu)成一條與坐標橫軸近于平行的直線（A、B、F）。因此，根據(jù)樣品投點分布趨勢似乎很容易區(qū)分部分熔融和分離結(jié)晶過程。但是，開放系統(tǒng)的高壓分離結(jié)晶作用同樣可以產(chǎn)生傾斜的投點分布趨勢（C）。即使部分熔融形成的樣品，當部分熔融程度足夠高時，樣品投點也表現(xiàn)為水平分布趨勢（線段OD）。此外，該圖解中沒有涉及巖漿混合作用及其他巖漿過程。如果樣品是巖漿混合作用的產(chǎn)物，其投點趨勢既可以構(gòu)成傾斜直線（母巖漿具有不同的w（Ce）值含量和w（Ce）/w（Yb）值時），也可以構(gòu)成水平直線（母巖漿具有不同的w（Ce）值含量和相同的w（Ce）N/w（Yb）N值時）。由此可見，不相容元素數(shù)據(jù)同樣存在多解性。例如，將四川攀西地區(qū)白馬鎂鐵質(zhì)層狀巖體的樣品投于圖3，大多數(shù)投點分布于虛線Ⅰ和Ⅱ所夾持的區(qū)域。按照上述判別原理，應(yīng)當認為這些樣品具有更多的部分熔融印記。但是，層狀巖體中往往存在堆晶巖，分離結(jié)晶作用具有明顯重要的意義。例如，根據(jù)Zhang等提出的模型[15]，白馬輝長巖可能是苦橄質(zhì)巖漿經(jīng)歷61%分離結(jié)晶之后進化巖漿固結(jié)的產(chǎn)物。

特別需要注意流體過程對不相容元素豐度的影響。由于流體的高度活動性，流體過程可以造成基于理想系統(tǒng)難以理解的不相容元素地球化學(xué)行為。在傳統(tǒng)火成巖理論中，通常假定巖漿為自然熔體，含有很少的揮發(fā)分（如含水量（質(zhì)量比）不大于4%）。在這種前提條件下，可以認為流體過程不會對不相容元素的地球化學(xué)行為造成重要影響。但是，近年來的研究表明，熔體和流體在高壓條件下可以完全互溶[1617]，弧玄武質(zhì)巖漿含水量約4%實際上是巖漿上升過程中或侵位后遭受了調(diào)整的結(jié)果[18]。流體的逃逸將帶走某些不相容元素，而流體的輸入則帶入不相容元素。據(jù)此，在開放系統(tǒng)條件下可以用不相容元素測試數(shù)據(jù)闡明巖漿系統(tǒng)的流體過程（如氣體搬運），而不能用來揭示其他巖漿過程。

1.4區(qū)域巖石學(xué)

與成因巖石學(xué)不同，區(qū)域巖石學(xué)不要求精確的巖石學(xué)和礦物學(xué)約束，但要求嚴格的地質(zhì)學(xué)或地球動力學(xué)約束。換句話說，區(qū)域巖石學(xué)談?wù)摰牟皇且粋€巖漿體的成因與演化，而是一個構(gòu)造旋回中巖漿系統(tǒng)的特征、成因與演化。因此，不可能對每一個分析樣品都進行準確理解，更為有效的方法是揭示地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)展示的時空分布規(guī)律。由此可見，在區(qū)域巖石學(xué)研究中，地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)是有效途徑。

區(qū)域巖石學(xué)的基本依據(jù)是：①同類構(gòu)造區(qū)具有類似的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地球動力學(xué)條件，因而參與部分熔融形成巖漿的源區(qū)組合相似，所形成的火成巖組合也類似；②同一構(gòu)造區(qū)不同部位經(jīng)歷同樣動力學(xué)過程的時間和強度有所不同，因而火成巖組合具有時空遷移的特征。根據(jù)第一個依據(jù)，同類構(gòu)造區(qū)應(yīng)當產(chǎn)生相似的數(shù)據(jù)集。將研究區(qū)的數(shù)據(jù)集與經(jīng)過詳細研究地區(qū)的數(shù)據(jù)集進行對比，可以闡明研究區(qū)的構(gòu)造屬性；將研究區(qū)數(shù)據(jù)集與產(chǎn)有大型礦床地區(qū)的數(shù)據(jù)集進行對比，可以闡明研究區(qū)的成礦潛力。根據(jù)第二個依據(jù)，同一構(gòu)造區(qū)不同部位的數(shù)據(jù)集應(yīng)當有所差異，這種差異與動力學(xué)系統(tǒng)觸及的構(gòu)造圈層性質(zhì)和作用強度有關(guān)。據(jù)此，將數(shù)據(jù)集的特征與巖漿起源條件聯(lián)系在一起，有利于揭示區(qū)域地球動力學(xué)過程。因此，區(qū)域巖石學(xué)研究經(jīng)常采用類比的方法。但是已經(jīng)識別的構(gòu)造區(qū)類型并不是全部，同類構(gòu)造區(qū)的不同部分存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異，因此，區(qū)域巖石學(xué)研究需要更多的地質(zhì)學(xué)約束。例如，太行山地區(qū)發(fā)育中生代巖漿活動，前人一般稱之為構(gòu)造巖漿帶。羅照華等基于火成巖組合分析，將其稱為板內(nèi)造山帶，其理由是：①火成巖組合分析表明該區(qū)曾經(jīng)具有巨厚的陸殼，這是造山帶的本質(zhì)特征；②與大洋板塊俯沖相關(guān)的巖漿熱軸一般不會超過500 km，太行山與古太平洋板塊俯沖帶的距離遠遠超過500 km，其巖漿活動不太可能與古太平洋板塊的俯沖直接相關(guān)；③中國東部地區(qū)也存在時代相近的近EW向巖漿帶和其他NE向巖漿帶，古太平洋板塊俯沖不可能產(chǎn)生如此復(fù)雜多樣的構(gòu)造巖漿帶[19]。這3個約束條件都遠遠超出了地球化學(xué)測試數(shù)據(jù)的范疇，表明數(shù)值巖石學(xué)不能獨立解決區(qū)域地質(zhì)演化問題。

由此可見，僅僅依據(jù)化學(xué)測試數(shù)據(jù)（無論是相容元素還是不相容元素）不可能確定性地揭示巖漿系統(tǒng)經(jīng)歷的物理過程。同樣，平均性質(zhì)也不能作為判別標志，因為全巖測試數(shù)據(jù)的本質(zhì)屬性或者是反映了礦物組成（對于相容元素），或者是反映了流體過程（對于不相容元素），不具有確定性的物理過程信息。但是，利用化學(xué)測試數(shù)據(jù)和已發(fā)表的地質(zhì)模型可以揭示潛在的物理過程，為進一步約束提供線索。

2巖漿系統(tǒng)性質(zhì)

火成巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)解釋的困境也常常源于對巖漿系統(tǒng)的性質(zhì)了解不夠。在火成巖教學(xué)過程中，為了使學(xué)生更容易理解，通常將巖漿系統(tǒng)簡化為一個巖漿體，再將巖漿體簡化為一個質(zhì)點，可稱其為點巖漿模型；在這個基礎(chǔ)上，再將巖漿的性質(zhì)簡化為其平均性質(zhì)。這種簡化的巖漿系統(tǒng)可稱為理想巖漿系統(tǒng)，與自然巖漿系統(tǒng)相差甚遠。對于某些專注于數(shù)值巖石學(xué)方法的研究人員來說，往往難以面對自然巖漿系統(tǒng)，因為他們沒有精力關(guān)注火成巖理論的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1巖漿晶粥柱模型

現(xiàn)代火山學(xué)觀察表明，弧火山巖漿系統(tǒng)一般具有多個位于不同深度水平上的巖漿房[20]。另一方面，金伯利巖巖漿系統(tǒng)似乎從未發(fā)現(xiàn)深部巖漿房。據(jù)此可以得出這樣一種認識：一個巖漿系統(tǒng)可以沒有深部巖漿房，也可以有多個深部巖漿房。將這種特征與巖漿起源及巖漿上升和就位的驅(qū)動機制聯(lián)系在一起，可以進一步得出：具有多個巖漿房的巖漿系統(tǒng)（多重巖漿房系統(tǒng)）發(fā)育在巖石圈物質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的構(gòu)造區(qū)，或巖漿具有較低的平均上升速率；相反地，巖石圈物質(zhì)結(jié)構(gòu)較簡單的構(gòu)造區(qū)巖漿系統(tǒng)具有較少或沒有深部巖漿房，或巖漿具有較高的上升速率。

圖件引自文獻[13]

根據(jù)多重巖漿房系統(tǒng)的特征可建立巖漿晶粥柱模型（圖4）。在這樣一個巖漿系統(tǒng)中，設(shè)想巖漿上升過程中可能遭遇多個構(gòu)造滑脫層，每遭遇一個構(gòu)造滑脫層都可以導(dǎo)致一些巖漿減壓就位。當巖漿體橫向擴展的阻力大于上升阻力時，巖漿將繼續(xù)上升，直到遭遇一個新的、位于更高深度水平上的構(gòu)造滑脫層，如此反復(fù)，直到邊緣巖漿房的產(chǎn)生（圖4）。

因此，不同深度水平上的巖漿房往往以補給系統(tǒng)（巖墻）或通道系統(tǒng)相連通。這樣的描述有利于理解大多數(shù)火成巖中缺乏通道壁巖石捕虜體的觀察結(jié)果，因為通道巖漿的冷凝邊可以阻隔上升巖漿與原始通道壁之間的接觸。較復(fù)雜的情況可以出現(xiàn)在幔源巖漿底侵或內(nèi)侵時，受熱地殼中將按類似的方式產(chǎn)生一個長英質(zhì)巖漿系統(tǒng)。此外，在遠離熱軸的地帶可能出現(xiàn)幔源巖漿直接侵位于淺部地殼或噴出地表的情景[21]。

在這樣一種巖漿系統(tǒng)中，可以預(yù)期：①所有巖漿房中都可以發(fā)生分離結(jié)晶作用，但較深部巖漿房的固結(jié)速率慢于較淺部巖漿房，因為有地?zé)崽荻鹊拇嬖?；②所有巖漿房中都可以產(chǎn)生含礦流體，但較深部巖漿房中流體更多，流體中成礦金屬含量更大，因為熔體中揮發(fā)分溶解度和流體中成礦金屬溶解度都與壓力呈正相關(guān)關(guān)系；③巖漿房之間可以發(fā)生強烈的巖漿混合作用（包括殼源巖漿與幔源巖漿的混合），新生巖漿有可能含有大量循環(huán)晶（Antecryst）。因此，邊緣巖漿房中充填的巖漿可能具有非常復(fù)雜的組成，與點巖漿模型的預(yù)期完全不一致，導(dǎo)致一個火成巖系列的化學(xué)變化不再僅取決于邊緣巖漿房（終端巖漿房）中的巖漿過程，而是經(jīng)常攜帶著整個巖漿系統(tǒng)演化的印記。

2.2巖漿房組裝過程

花崗質(zhì)巖基就位的空間問題（Room Problem）曾經(jīng)長期困擾著地質(zhì)學(xué)家。由于認識到巖基實際上是一種厚板狀侵入體和巖墻補給機制[2223]，空間問題得到了很好的解決[6]。因此，大型花崗質(zhì)侵入體的就位將同時要求巖漿體橫向擴展→巖墻補給→底板沉陷循環(huán)（Loop）的反復(fù)發(fā)生[24]。顯然，這是一種自組織過程，不同侵入單元之間將呈現(xiàn)復(fù)雜的接觸關(guān)系。如果兩個單元的就位時間非常接近，可以實現(xiàn)兩種巖漿的完全混合，巖漿侵入體將會丟失早期的就位歷史，在深部地殼尤其如此。因此，通過化學(xué)測試數(shù)據(jù)將難以揭示巖漿演化的全過程。

近年來，大型鎂鐵質(zhì)侵入體也被認識到是由多批次巖漿組裝產(chǎn)生，其主要依據(jù)是侵入體的平均成分與冷凝邊成分不一致[25]。按照一次性巖漿瞬時就位或一次綿長的持續(xù)巖漿補給模型[26]，不管巖漿經(jīng)歷什么樣的過程，其冷凝邊成分必然與平均成分相等[13]。在分離結(jié)晶的條件下，巖體下部將富含鎂鐵質(zhì)組分，而上部富含長英質(zhì)組分，因此，剖面上鎂鐵質(zhì)組分的豐度將呈S型變化，而長英質(zhì)組分則呈反S型變化。然而，大多數(shù)大型侵入體都不服從這種變化規(guī)律，甚至一些小型巖席也表現(xiàn)出強烈的多批次巖漿組裝的特征[25，27]。而大型侵入體中往往缺失多批次巖漿組裝的地質(zhì)學(xué)和巖石學(xué)證據(jù)。對此，Marsh認為其主要是因為巖漿混合作用消除了侵入體組裝過程的許多證據(jù)[13]。由于鎂鐵質(zhì)巖漿的固相線和液相線溫度間隔較大，不同結(jié)晶度巖漿之間的混合相對容易。特別是發(fā)生全巖漿房對流過程時，質(zhì)量平衡計算可能是揭示侵入體組裝過程的最有效方法。盡管這種方法利用了樣品化學(xué)分析結(jié)果，但是侵入體的巖性分層和厚度測量也是不可或缺的數(shù)據(jù)，這表明地質(zhì)學(xué)和巖石學(xué)約束的不可或缺。

2.3巖漿房固結(jié)過程

基于理想系統(tǒng)模型，巖漿房固結(jié)過程是全巖漿房對外部環(huán)境的響應(yīng)。這是一種很奇怪的現(xiàn)象，因為侵入體接觸帶的觀察早就表明巖漿體的固結(jié)過程是從接觸帶向中心推進，但迄今仍有研究人員持全巖漿房同時結(jié)晶的觀點[28]。由于巖漿固結(jié)前鋒從接觸帶向中心移動，產(chǎn)生了一系列相關(guān)聯(lián)的問題：首先，由于中部存在一個高溫帶（其溫度等于巖漿的液相線溫度），無論是沉降還是上浮的晶體都將在通過這個高溫帶時被吸回，不利于堆晶巖的產(chǎn)生；其次，由于晶體沉降速度與顆粒半徑成正比，晶體吸回的速度與顆粒半徑成反比，小的晶體顆粒將主要呈懸浮態(tài)，這將升高巖漿的黏度，不利于晶體沉降；再次，大顆粒晶體需要較長的生長時間，有可能導(dǎo)致其處于晶體捕獲帶，也不利于晶體沉降過程。由此可見，層狀巖體中火成層理和堆晶巖的成因重新成為難解之謎[2930]。

作為一種解決方案，Gutierrez等提出了側(cè)壁晶體沉降驅(qū)動全巖漿房對流模型[29]。該模型認為全巖漿房對流主要受側(cè)壁晶體沉降驅(qū)動，與Skaergaard巖體具有薄側(cè)壁巖系的觀察結(jié)果一致。該模型有利于解釋火成層理的成因，但要求巖漿侵入體具有大的方向比（高寬比），而層狀侵入體卻一般具有小的方向比（如攀枝花巖體約為0.1）。如果巖漿多批式脈動組裝模型可信，將進一步減小侵入體的方向比，從而不利于全巖漿房對流。

圖件引自文獻[31]

另一種解決方案是發(fā)生堆晶作用的礦物晶體屬于循環(huán)晶，而不是從寄主侵入體中結(jié)晶的產(chǎn)物[30]。此外，結(jié)合巖漿房組裝過程的認識，也可以認為重力沉降主要發(fā)生在巖漿侵入體的下半部。從圖5可以看出：玄武質(zhì)熔體中斜長石和輝石開始出現(xiàn)溫度（T）隨壓力（P）變化，且斜長石dP/dT梯度（0.004 ℃·bar-1）大于輝石（0.016 ℃·bar-1）[31]。峨眉山玄武巖的平均厚度約為3 000 m，而鎂鐵質(zhì)侵入體就位于噴發(fā)不整合面上，因而第一批巖漿的就位深度應(yīng)當約等于或小于1 kbar的壓力條件。這時，斜長石應(yīng)當先于輝石結(jié)晶，或與輝石同時晶出。隨著巖漿的逐漸補給，如果玄武巖未遭受剝蝕，層狀巖體將向下生長，巖漿逐漸由斜長石首晶區(qū)進入輝石首晶區(qū)。在這種情況下，就有可能出現(xiàn)大量堆晶輝石巖（如川西紅格巖體）；如果補充巖漿的就位深度不變（即侵入體就位過程中玄武巖同時遭受剝蝕），將有利于形成輝長巖（如攀枝花巖體）。

巖漿固結(jié)過程對化學(xué)數(shù)據(jù)的分布樣式產(chǎn)生重要影響，因此，分析巖石地球化學(xué)測試結(jié)果時應(yīng)當考慮固結(jié)過程和固結(jié)條件的影響，也應(yīng)當注意巖漿固結(jié)速度和補給速度之間的關(guān)系。

2.4巖漿系統(tǒng)的成熟度

由于終端巖漿房之下可能存在一系列位于不同深度水平上的巖漿房，巖漿房之間的相互作用將導(dǎo)致就位巖漿的組成復(fù)雜化。例如，如果下伏巖漿房中晶出了大量橄欖石，從深部上升的巖漿有可能將這些橄欖石攜帶到終端巖漿房中。由于這些橄欖石晶體不是從攜帶巖漿（Carrier Magma）中晶出的，它們被稱為循環(huán)晶，而循環(huán)晶+攜帶巖漿則稱為灰漿（Slurry）[30]。除了循環(huán)晶之外，火成巖中還可能包含其他晶體群[3233]。這些晶體往往被攜帶巖漿中析出的晶體包裹，被誤認為是攜帶巖漿中最早析出的晶體，或者稱為捕虜晶（如果不符合攜帶巖漿理論預(yù)期）。即使符合攜帶巖漿理論預(yù)期的晶體也未必都是從攜帶巖漿晶出的。例如，四川鹽源礦山梁子苦橄巖含有4種不同成分和結(jié)晶習(xí)性的橄欖石[34]，表明至少有3種橄欖石不是源于攜帶巖漿的結(jié)晶作用。一般來說，如果巖漿上升速度足夠快，都可以攜帶異源晶體（Exotic Crystal）；反之，異源晶體將會在巖漿上升過程中被移離。在前一種情況下，巖漿快速固結(jié)（如噴出巖），火成巖中將保留大量外來晶體的信息，這樣不僅可以利用攜帶巖漿的成分反演巖石形成過程，而且可以利用循環(huán)晶追索深部巖漿房的信息，利用殘留晶提取源區(qū)的信息。在后一種情況下，巖漿緩慢固結(jié)（如深成巖），所有外來晶體都可能被溶蝕，灰漿將轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的巖漿，這時利用全巖化學(xué)將不能揭示最后一個外來晶體消失之前的所有巖漿演化歷史。據(jù)此，Zellmer等提出了巖漿系統(tǒng)成熟度的概念[35]。從熱力學(xué)平衡的角度來看，巖漿系統(tǒng)的成熟度可以理解為巖漿系統(tǒng)趨向于服從吉布斯相律的程度。巖漿系統(tǒng)越偏離吉布斯相律，其成熟度就越低，反之則越高。由此可見，無論是哪一種情況，都不能簡單地利用全巖化學(xué)來再造巖石形成過程，而必須有其他證據(jù)約束。

3白馬鐵鈦氧化物礦床的再解釋

無論從哪個角度來看，由數(shù)值巖石學(xué)得出的認識都存在多解性。為了得出更符合地質(zhì)實際的解釋，就必須引入其他方面的獨立證據(jù)。四川攀西地區(qū)白馬鐵鈦氧化物礦床可以作為一個典型實例。該礦床是攀西地區(qū)4個超大型鐵鈦氧化物礦床之一，近年來引起了廣泛關(guān)注。但是，前人主要運用數(shù)值巖石學(xué)方法討論了礦床成因，因而許多認識尚存在瑕疵：對于白馬巖體中硅酸鹽礦物與鐵鈦氧化物之間顯著的δ57Fe值區(qū)別，Chen 等將Fe同位素分餾歸咎于分離結(jié)晶作用和固相線下再平衡[36]，而Liu等則認為是它們分別結(jié)晶自兩個不混溶富Si液體和富Fe液體的證據(jù)[37]；Liu等發(fā)現(xiàn)橄欖石中存在多相包裹體（主要為鈦磁鐵礦和鈦鐵礦，含少量磷灰石、角閃石、金云母和磁黃鐵礦），將其解釋為液體不混溶的產(chǎn)物[38]，而Pang等則將攀枝花巖體中的類似包裹體（主要為鈦磁鐵礦和鈦鐵礦，某些包裹體含有角閃石+黑云母±氟磷灰石）解釋為鐵鈦氧化物在巖漿演化早期結(jié)晶的證據(jù)，并將包裹體中的含水礦物解釋為捕獲流體與橄欖石主晶反應(yīng)的產(chǎn)物，將礦體成因歸咎為鐵鈦氧化物堆晶作用[39]；Zhang等主張白馬巖體形成于富鐵巖漿的多脈動補給[15]，Pang等則主張攀枝花巖體的補給巖漿具有更原始的性質(zhì)[39]。假定所有研究人員的觀測證據(jù)都是可信的，出現(xiàn)類似矛盾就應(yīng)當歸咎于限定條件的不足。據(jù)此，有必要以白馬礦床為例討論如何引入地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)對數(shù)值巖石學(xué)認識進行約束。

3.1巖石地球化學(xué)

按照流行的數(shù)值巖石學(xué)方法闡明攀西地區(qū)白馬巖體的分布特征。將前人分析結(jié)果投在氧化物Mg#圖解（圖6）上，可以看出高Mg#值和低Mg#值區(qū)間（二者分界約為45）的投點具有不同的分布趨勢：①在SiO2Mg#圖解中，投點總體呈線性分布，但在高Mg#值區(qū)間，SiO2含量隨Mg#值的減少而緩慢減少，而在低Mg#值區(qū)間，SiO2含量隨Mg#值的減少而急劇降低；②在TiO2Mg#圖解中，樣品投點顯示3個線性趨勢均為TiO2含量隨Mg#值的減少而增加，但是趨勢線在高Mg#值區(qū)的斜率較平緩，而在低Mg#值區(qū)較陡，且在不同TiO2含量水平上平行分布；③在Al2O3Mg#圖解中，Al2O3含量在高Mg#值區(qū)隨Mg#值的減少緩慢增加，而在低Mg#值區(qū)則隨Mg#值的減少而急劇減少，但投點較分散；④在Fe2OT3Mg#圖解中，F(xiàn)e2OT3含量總體顯示隨Mg#值的減少而增加，但在高Mg#值區(qū)斜率較緩，而在低Mg#值區(qū)斜率較陡；⑤在MnOMg#圖解中，投點也較分散，但依然可識別出高Mg#值區(qū)MnO含量隨Mg#值的降低而增加的特點，且在Mg#值約為40時，MnO含量變化幾乎與Mg#值無關(guān)；⑥在MgOMg#圖解中，投點更為分散，分布規(guī)律不明顯；

⑦在CaOMg#圖解中，投點分布趨勢與SiO2Mg#圖解類似；⑧在Na2OMg#圖解中，投點分布趨勢則與Al2O3Mg#圖解類似；⑨在K2OMg#圖解中，投點分布趨勢不明顯，總體在較低K2O含量水平上，個別樣品具有高K2O含量（大于5%）；⑩在P2O5Mg#圖解中，投點分布趨勢與K2OMg#圖解類似。此外，圖6也展示了多相包裹體均一化玻璃的成分投點。這些投點總體上散布在高Mg#值區(qū)，沒有顯示明顯的規(guī)律性。特別是在TiO2Mg#圖解和P2O5Mg#圖解中，投點位置變化幅度很大。將Zhang等的MELTS模擬結(jié)果[15]投在這些圖解上，多數(shù)元素的分布趨勢都與分離結(jié)晶模型不一致，表明圖6中的投點分布特征難以用單一的巖漿過程解釋，暗示白馬巖體具有復(fù)雜的成巖成礦過程。

從圖7可以看出：TiO2、Fe2OT3、MnO、MgO含量隨著SiO2含量的增加而減少，Al2O3、CaO、Na2O含量隨著SiO2含量的增加而增加；Fe2OT3SiO2圖解中的投點具有最好的線性趨勢，其次是TiO2SiO2和CaOSiO2圖解；Al2O3SiO2、MnOSiO2、MgOSiO2、Na2OSiO2圖解中的投點較分散；而K2OSiO2、P2O5SiO2圖解中投點的位置則基本上與SiO2含量不相關(guān)，總體維持在低K2O、P2O5含量水平上。與圖6類似，圖7中多相包裹體均一化玻璃的成分投點也很分散，且P2O5、TiO2含量顯示了大幅度變化。

綜上所述，圖6、7都顯示了樣品投點主要呈線性分布趨勢的特點。按照數(shù)值巖石學(xué)準則，這些樣品似乎主要形成于巖漿混合作用。將Zhang等的MELTS模擬結(jié)果[15]投在相應(yīng)圖解上，絕大部分氧化物的投點分布趨勢與預(yù)期的趨勢不符，低壓（1.5 kbar）液體血統(tǒng)線尤其如此。然而，這樣的認識與巖體中良好的韻律性層理和常見堆晶巖的現(xiàn)象明顯不符。由于這兩種現(xiàn)象都被認為是分離結(jié)晶作用的有力證據(jù)，所以巖漿混合作用機制也不太現(xiàn)實。由此可見，圖6、7展示的投點分布趨勢存在多解性，還需要其他證據(jù)的約束。盡管如此，由于多相包裹體均一化玻璃的成分投點分布規(guī)律性不明顯，基本可以排除液體不混溶過程的顯著意義。在Al2O3CaO圖解[6（k）]中，不混溶液體對[40]的投點與白馬巖體分布趨勢明顯不符。此外，白馬巖體的成分特征也表明其不是幔源原生巖漿固結(jié)的產(chǎn)物，不需要考慮部分熔融機制的可能性。

1為全巖分析結(jié)果（引自文獻[15]、[41]和[42]）；2為MELTS模擬結(jié)果（5 kbar）；3為MELTS模擬結(jié)果（1.5 kbar）；4為斜長石晶體中多相包裹體的均一化玻璃成分（引自文獻[43]）；5為單斜輝石；6為橄欖石；7為斜長石；8為鐵鈦氧化物；黑方框為富鐵熔體，白方框為富硅熔體；SI、M、S、I為實驗初始成分；細實線為C&G液體血統(tǒng)線；T&C和J&G為液體血統(tǒng)線（引自文獻[40]）

1為全巖分析結(jié)果（引自文獻[15]、[41]和[42]）；2為MELTS模擬結(jié)果（5 kbar）；3為MELTS模擬結(jié)果（1.5 kbar）；4為斜長石晶體中多相包裹體的均一化玻璃成分（引自文獻[43]）；5為單斜輝石；6為橄欖石；7為斜長石；8為鐵鈦氧化物

需要注意的是，為了檢驗液體不混溶過程的現(xiàn)實性，文獻[43]引用了Charlier等的實驗相圖，將分析結(jié)果投在Charlier等的實驗圖解[40]中，大量投點落在兩液體區(qū)，似乎表明存在液體不混溶的可能性（圖8）。據(jù)此，Liu等認為多相包裹體為液體不混溶機制的有力證據(jù)[43]。但是，他們給出的均一化溫度約為1 180 ℃，遠高于實驗得出的最高液體不混溶溫度（約1 020 ℃）。此外，熔融玻璃的Mg#值最大為72.9，最小為28.6，平均為59.62，而實驗樣品Mg#值最大為36，最小為29。這意味著巖漿冷卻到發(fā)生不混溶之前就已經(jīng)固結(jié)。特別是熔融玻璃的投點大多落在一液體區(qū)而不是不混溶曲線上，意味著即使巖漿可以冷卻到較低溫度，大多數(shù)樣品也不會發(fā)生不混溶過程。因此，不混溶模型是不現(xiàn)實的，除非巖漿先發(fā)生分離結(jié)晶作用。將Zhang等的MELTS模擬結(jié)果[15]投在圖8上，在巖漿溫度達到1 129 ℃[圖8（a）]和1 100 ℃[圖8（b）]時，熔體成分投在不混溶曲線附近。換句話說，液體不混溶過程只能發(fā)生在較低溫度條件下。如果是這樣，所產(chǎn)生的不混溶液體能否聚集在一起將是一個問題。邱一冉等提出鎂鐵質(zhì)巖漿固結(jié)晚期的確可以產(chǎn)生富鐵鈦氧化物和黑云母組分的熔體，但這些熔體的數(shù)量很少（約3%），且分散在長石和單斜輝石之間[44]。據(jù)此，筆者不認為液體不混溶是白馬礦床的一種合理成礦機制。

3.2礦物學(xué)約束

實際上，氧化物Mg#圖解（圖6）在設(shè)計上就已經(jīng)考慮到了投點分布趨勢的礦物學(xué)約束，因為鎂鐵質(zhì)巖漿往往是鎂鐵質(zhì)礦物先結(jié)晶，且后者的Mg#值隨溫度的下降而減小。將攀西地區(qū)白馬巖體4類礦物的平均成分投在相應(yīng)圖解（圖6）上可以看出：在高Mg#值區(qū)，橄欖石對SiO2、Al2O3、Fe2OT3、MnO、CaO、Na2O、K2O和P2O5分布趨勢的貢獻都不大，但對TiO2和MgO分布趨勢有所貢獻，但更像是與單斜輝石共同起作用；在低Mg#值區(qū)，橄欖石對任何氧化物的投點分布趨勢都沒有貢獻。單斜輝石的平均成分投點在SiO2Mg#、TiO2Mg#、Fe2OT3Mg#、MnOMg#、MgOMg#、Na2OMg#圖解中都分布在趨勢線的高Mg#值端點附近，但在Al2O3Mg#、CaOMg#圖解中偏離較大；在低Mg#值區(qū)，單斜輝石似乎對TiO2分布趨勢有貢獻，但對其他元素的投點分布趨勢貢獻不明顯。斜長石似乎對任何氧化物投點分布趨勢都沒有明顯貢獻，而鐵鈦氧化物則僅對Fe2OT3有潛在的貢獻。在Al2O3CaO圖解中，斜長石平均成分落在高Al2O3樣品的投點趨勢線上，似乎表明了斜長石的控制作用。但是，其他礦物對投點分布趨勢的貢獻不明顯。不過，考慮到投點較為分散，斜長石與單斜輝石的聯(lián)合似乎可以更合理地解釋投點分布趨勢。特別需要注意的是，在Al2O3CaO圖解中，投點的分布趨勢似乎與Zhang等模擬的變異趨勢[15]吻合。在TiO2Fe2OT3圖解中，高Fe2OT3區(qū)域（Fe2OT3含量大于30%）的兩個趨勢可以認為分別受控于鈦鐵礦和鈦磁鐵礦，而低Fe2OT3區(qū)域的投點趨勢則受控于斜長石和單斜輝石。由此可見，如果采納分離結(jié)晶機制，主要涉及的相可能是單斜輝石，橄欖石、斜長石、鐵鈦氧化物在分離結(jié)晶過程中的作用都可以被排除。

在哈克圖解中，斜長石和單斜輝石落在TiO2、Fe2OT3和MnO分布趨勢線上（圖7）。Al2O3、MgO、CaO和Na2O分布趨勢可以由斜長石和單斜輝石的聯(lián)合分離結(jié)晶作用來解釋。但是，橄欖石和鐵鈦氧化物似乎對任何投點分布趨勢都沒有顯著貢獻。如果是這樣，Liu等關(guān)于橄欖石先于斜長石結(jié)晶的認識[41]可能是一種誤解，他們所觀察到的橄欖石可能屬于循環(huán)晶。

需要注意的是，這里僅利用了平均礦物成分約束，而不是其成分變化范圍，也沒有援引成因礦物學(xué)研究資料，因此，這樣的礦物學(xué)約束是不完整的。盡管如此，由于引入了平均礦物成分約束，成功排除了橄欖石和鐵鈦氧化物分離結(jié)晶作用對成巖成礦過程的控制，深化了對樣品投點分布趨勢的認識。

虛線表示平均成分；數(shù)據(jù)引自文獻[15]

3.3地質(zhì)學(xué)約束

將分析結(jié)果按照樣品空間位置投圖是考慮巖體地質(zhì)學(xué)約束的方法之一。Zhang等詳細報道了剖面樣品的取樣水平高度[15]。將氧化物含量對采樣高度投圖（圖9），可以提取從圖6、7所不能提取的成因信息。隨著相對高程的變化，各種氧化物含量強烈改變（圖9），這與攀西地區(qū)白馬巖體中發(fā)育韻律性火成層理的觀察結(jié)果相符?？傮w來看，氧化物含量隨高程變化具有兩種分布樣式：SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O、P2O5含量呈反S型，其余氧化物含量呈S型。這種分布樣式似乎可以與封閉系統(tǒng)的分離結(jié)晶過程相對應(yīng)[25]。理想情況下，由于鎂鐵質(zhì)礦物的沉降和長英質(zhì)礦物、殘余貧鎂鐵質(zhì)組分的熔體上浮，侵入體的下部應(yīng)當富集鎂鐵質(zhì)組分而貧長英質(zhì)組分；相反地，上部則富集長英質(zhì)組分而貧鎂鐵質(zhì)組分。投點分布樣式與這種理論預(yù)期一致。如果是這樣，橄欖石、單斜輝石和鐵鈦氧化物應(yīng)當是巖漿演化早期結(jié)晶的礦物。但是，所有氧化物平均含量都偏離侵入體冷凝邊的相應(yīng)氧化物含量，暗示白馬巖體屬于開放的巖漿房，仍包含巖漿混合作用的要素。從這個角度來說，Zhang等的模型[15]似乎是合理的，即深部富鎂巖漿分離結(jié)晶作用產(chǎn)生的富鐵巖漿不斷輸入白馬巖體，并在淺部巖漿房中經(jīng)歷巖漿混合作用、分離結(jié)晶作用和鐵鈦氧化物堆晶作用。

根據(jù)Zhang等的研究結(jié)果[15]，白馬巖體的富鐵巖漿源自苦橄質(zhì)巖漿在5 kbar條件下的分離結(jié)晶作用。在斜長石開始晶出之前，巖漿已經(jīng)分離出61%的橄欖石+單斜輝石+斜方輝石和富鉻尖晶石[14]。此后，進化巖漿上升到1.5 kbar的深度水平，并在那里繼續(xù)發(fā)生分離結(jié)晶作用，依次晶出富鉻鈦磁鐵礦（溫度為1 164 ℃）、斜長石（1 149 ℃）、橄欖石（1 145 ℃）、鈦磁鐵礦（1 143 ℃）和單斜輝石（1 129 ℃）。但是，斜長石、橄欖石和鈦磁鐵礦的初始晶出溫度非常接近（平均為1 146 ℃），是共結(jié)的標志。富鉻鈦磁鐵礦的結(jié)晶溫度比這一共結(jié)溫度高約20 ℃。如果礦石通過堆晶作用形成，礦石礦物應(yīng)當主要為富鉻鈦磁鐵礦。然而，根據(jù)Zhang等提供的分析結(jié)果[15]，礦石礦物主要為鈦磁鐵礦。如果礦石是分離結(jié)晶的產(chǎn)物，發(fā)生堆晶作用的應(yīng)當是與橄欖石和斜長石共結(jié)的鈦磁鐵礦。由此可見，該模型是有瑕疵的，與前面的分析相矛盾。

該模型的關(guān)鍵缺陷則是難以得到物理過程的支持。根據(jù)Zhang等提供的數(shù)據(jù)[15]，鈦磁鐵礦開始結(jié)晶時，熔體的密度已經(jīng)升高到2.84 g·cm-3，根據(jù)Diordano公式[12]估算的熔體黏度升高到5.28 Pa·s。假定鐵鈦氧化物的密度為4.37 g·cm-3[15]，其晶體生長到0.1 mm即開始沉降，根據(jù)斯托克定律，晶體沉降速度為0.063 1 cm·s-1。按照這一沉降速度，鐵鈦氧化物從700 m高程沉降到400 m高程只需要5.5 d，相應(yīng)地橄欖石沉降300 m需要16.8 d，斜長石上浮300 m需要42.1 d。據(jù)此可以認為，分離結(jié)晶作用成礦模型是可能的。但是，根據(jù)Zhang等的研究結(jié)果[15]，苦橄質(zhì)巖漿的密度為2.82 g·cm-3，根據(jù)Diordano公式[12]估算的熔體黏度為074 Pa·s。當巖漿冷卻到1 185 ℃時（斜長石晶出之前），巖漿的密度為2.90 g·cm-3[15]，根據(jù)Diordano公式[12]估算的熔體黏度為5.23 Pa·s。很難想象為什么密度和黏度更大的巖漿反而可以上升到1.5 kbar的深度水平上。由此可見，盡管許多證據(jù)都似乎表明分離結(jié)晶模型是合理的，但考慮到巖漿上升的驅(qū)動機制，該模型的缺陷依然是明顯的。

特別是白馬巖體中常見厘米級韻律層，且礦體的分布不均一（圖9），難以用簡單分離結(jié)晶模型來解釋。從圖6、7可以看出，低壓分離結(jié)晶的模擬液體血統(tǒng)線大部分與樣品投點分布趨勢不符，表明這個模型依然存在缺陷。

3.4巖石學(xué)約束

分離結(jié)晶作用和巖漿混合作用對于白馬巖體的成巖成礦過程看來都是重要的，但是即便同時考慮這兩種巖漿過程的效應(yīng)，依然存在不可克服的矛盾，即富鐵巖漿的上升機制和韻律性層理的成因。因此，必須進一步考慮其他約束證據(jù)。

圖件引自文獻[15]

前面所有討論都是建立在理想系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，無論是封閉系統(tǒng)還是開放系統(tǒng)。在這樣的前提下，白馬巖體的所有物質(zhì)都被假定來自一個平衡熱力學(xué)系統(tǒng)。由于缺乏成因礦物學(xué)證據(jù)，這樣的假設(shè)前提并未得到證實或否定。作為一種彌補措施，可以引入巖石結(jié)構(gòu)證據(jù)作為進一步約束的條件。理論上，在一個平衡系統(tǒng)中，組成礦物之間應(yīng)當具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)關(guān)系?？紤]到開放系統(tǒng)和較快速冷卻的特點，至少有兩種礦物呈平衡結(jié)構(gòu)關(guān)系。但是，白馬巖體中的礦石特征（圖10）展示的結(jié)構(gòu)關(guān)系表明，無論是在主礦石中還是在浸染狀礦石中，都不存在自形的橄欖石、輝石、斜長石和鐵鈦氧化物晶體。在主礦石[圖10（a）]中的造巖礦物主要為橄欖石和單斜輝石，只有少量斜長石。這些造巖礦物的晶體均具有港灣狀或渾圓形邊緣，暗示了造巖礦物與礦石礦物之間的熱力學(xué)不平衡。礦石礦物則充填于造巖礦物粒間，形成海綿隕鐵結(jié)構(gòu)。此外，盡管造巖礦物主要呈單晶體顆粒存在，局部依然可見由兩個或兩個以上晶體組成的顆粒。這種結(jié)構(gòu)關(guān)系表明，礦石礦物形成于造巖礦物結(jié)晶之后。在浸染狀礦石[圖10（b）]中，斜長石明顯較多，且造巖礦物之間常常相互接觸，構(gòu)成半自形粒狀結(jié)構(gòu)。有一個橄欖石顆粒被包裹在斜長石中[圖10（b）左上角]，可以作為橄欖石先于斜長石結(jié)晶[41]的有利證據(jù)。鐵鈦氧化物晶體被包含在斜長石晶體中，可以作為其先于斜長石結(jié)晶或形成于液體不混溶的證據(jù)。但是與鐵鈦氧化物接觸時，斜長石顆粒具有形態(tài)多變的溶蝕邊緣[圖10（b）左下角]，暗示了鐵鈦氧化物與斜長石之間的熱力學(xué)不平衡。

由于所有造巖礦物都與礦石礦物呈熱力學(xué)不平衡，所以成礦作用必然發(fā)生在成巖作用之后。換句話說，白馬巖漿成礦系統(tǒng)可以劃分為巖漿子系統(tǒng)和成礦子系統(tǒng)，這兩個子系統(tǒng)的相互作用產(chǎn)生了白馬大型鐵鈦氧化物礦床。為了進一步闡明成礦過程，先對熱力學(xué)不平衡的原因進行分析，其基本解是造巖礦物結(jié)晶后進入到了一種新的環(huán)境。因此，不平衡結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生可能基于以下3個模型：①“礦漿”下涌模型；②富礦巖漿上涌模型或Zhang等的模型；③富礦流體上涌模型?！暗V漿”下涌模型曾經(jīng)用來解釋紅格鐵鈦氧化物礦床的成因[45]，其缺點是難以解釋粒間熔體的去向。此外，由圖10可見，成礦作用發(fā)生時造巖礦物之間已經(jīng)具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)關(guān)系，僅憑“礦漿”的重力難以產(chǎn)生足夠大的張力，因而缺乏“礦漿”下涌的通道。富礦巖漿上涌模型有可能解決這一難題，前提條件是下伏巖漿房中有足夠大的巖漿內(nèi)壓力。但是，富礦巖漿中含有大量硅酸鹽物質(zhì)，鐵鈦氧化物沉淀之后殘余硅酸鹽物質(zhì)的去向也是一個問題。白馬巖體具有很好的層狀結(jié)構(gòu)，未見明顯的豎直巖漿通道（圖10）。由此可見，“礦漿”下涌模型和富礦巖漿上涌模型都與地質(zhì)證據(jù)不符，因此，富礦流體上涌模型可能是一個較合理的選項。已有的研究表明，揮發(fā)分流體的存在可以顯著壓制斜長石的結(jié)晶。實驗表明：在“干”拉斑玄武質(zhì)巖漿中，斜長石先于單斜輝石結(jié)晶；而在“濕”拉斑玄武質(zhì)巖漿中，斜長石晚于單斜輝石結(jié)晶[46]。反過來，如果向已晶出斜長石和輝石的巖漿中輸入流體，則可以導(dǎo)致斜長石被首先吸回，如果這一過程持續(xù)發(fā)生，單斜輝石和橄欖石也會依次被吸回。硅酸鹽礦物的溶蝕會改變流體的溶度積，從而導(dǎo)致鐵鈦氧化物的沉淀，同時將溶解物向上傳輸。這種成礦機制可稱為溶解沉淀機制，與不相容元素（K、P）富集在巖體上部的特征（圖9）一致。根據(jù)富礦流體上涌模型，從浸染狀礦石到海綿隕鐵狀礦石的轉(zhuǎn)變就可以理解為溶解沉淀過程不斷增強的結(jié)果。

顯然，富礦流體上涌模型可以更合理地解釋白馬巖體的觀察結(jié)果。如果與Zhang等的模型[15]結(jié)合在一起，就可以說原生苦橄質(zhì)巖漿在深部巖漿房中經(jīng)分離結(jié)晶作用產(chǎn)生了富鐵熔體，流體或熔體流體流上升過程中萃取了其中的成礦金屬，并將其攜帶到白馬巖體中。含礦流體在溶解硅酸鹽礦物和減壓相分離過程中卸載了成礦金屬，同時向上排出貧礦流體。白馬巖體頂部常見的富角閃石細脈可能就是這種貧礦流體排氣作用的產(chǎn)物。但是，由于不清楚圖10樣品的采樣位置，上述認識依然有待進一步證據(jù)的約束。

4透巖漿流體成礦模型

數(shù)值巖石學(xué)是一種有效的工作方法，但需要得到地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)的約束。圖6、7都揭示了分離結(jié)晶作用和巖漿混合作用的重要意義。但是，由于缺乏第三方證據(jù)的約束，這樣的認識難以令人信服，所以逐漸引入了地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)約束，最終得到深部分離結(jié)晶+含礦流體上涌模型。盡管該模型依然需要進一步的約束條件，但可以解釋更多的觀察事實。對于之前提出的爭議問題，F(xiàn)e同位素的差異可以解釋為巖漿子系統(tǒng)和流體子系統(tǒng)的不同，多相包裹體可以解釋為液體不混合（合二不為一），而不是不混溶（一分為二），富鐵巖漿上升的驅(qū)動力可以歸咎為流體的加入。關(guān)于鐵鈦氧化物結(jié)晶于巖漿演化早期的判斷[39]則完全是一個錯誤的認識，在列出的所有證據(jù)中都沒有鐵鈦氧化物分離結(jié)晶的證據(jù)。

簡要地說，深部分離結(jié)晶+含礦流體上涌模型就是透巖漿流體成礦模型。筆者及合作者在長英質(zhì)巖漿成礦系統(tǒng)研究過程中提出了透巖漿流體成礦理論，現(xiàn)在看來該理論也適應(yīng)于鎂鐵質(zhì)巖漿成礦系統(tǒng)。究其原因，可能是該理論以物理過程為切入點，理論上所有的成礦系統(tǒng)都涉及成礦物質(zhì)的輸運和聚集，系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)可以改變成礦金屬和金屬組合，也可以改變物理參數(shù)的取值，但不會改變物理過程的基本驅(qū)動機制。因此，將透巖漿流體成礦理論用于鎂鐵質(zhì)巖漿成礦系統(tǒng)時，成礦作用的樣式將有所改變。

已有一些實驗支持透巖漿流體成礦模型。Matveev等通過浮選實驗提出，豆狀鉻鐵礦可以通過流體泡的搬運過程產(chǎn)生[7]。假定鉻鐵礦在巖漿溫度下降過程中首先結(jié)晶，且結(jié)晶過程釋放的流體形成流體泡向上運動；由于硅酸鹽礦物和氧化物的親濕性不同，流體泡將可以在上升過程中不斷收集鉻鐵礦晶體；攜帶鉻鐵礦集合體的流體泡消失之后，鉻鐵礦豆狀體就在巖漿中下沉，聚集成鐵礦石。Mungall等通過實驗提出了類似的模型[8]，但他們的模型用來解釋硫化物熔體而不是金屬礦物的上升機制。上述兩種模型的共同之處是強調(diào)流體泡搬運成礦金屬的能力，類似于工業(yè)上的浮選工藝，可稱為浮選模型。Martin則通過變溫實驗提出透過巖漿活動的流體可以萃取其中的易溶組分[9]。即使純H2O流體透過巖漿向上運動，也可以從中萃取大量的K、Na、Al、Si和Fe；據(jù)此，AMCG巖套（Anorthosite、Mangerite、Charnockite、Granite）中的A型花崗巖和正長巖的形成可能與透巖漿流體過程有關(guān)[9]。Blundy等認為斑巖型銅礦床的成因模型存在一個難解之謎：Cu的輸運要求氧化環(huán)境，而銅礦物的沉淀則需要還原環(huán)境[10]。據(jù)此，他們用高溫高壓實驗?zāi)M了富硫氣體鹵水相互作用，進而提出銅富集最初涉及富金屬的巖漿高鹽液體或鹵水，后者來自在淺部地殼經(jīng)過數(shù)十到數(shù)千年組裝產(chǎn)生的大型巖漿侵入體；隨后，堆積鹵水與下伏鎂鐵質(zhì)巖漿中短期爆發(fā)出來的富硫氣體發(fā)生反應(yīng)，觸發(fā)了硫化物礦石的沉淀[10]。這兩個模型都涉及流體的溶解度，可以成為溶解度模型。顯然，無論是浮選模型還是溶解度模型，都涉及流體透過巖漿活動。盡管研究人員沒有使用透巖漿流體這一術(shù)語，但他們描述的過程與羅照華等的描述[47]非常類似。除了Blundy等強調(diào)了短期爆發(fā)[10]之外，其他研究人員都沒有涉及巖漿相關(guān)成礦系統(tǒng)行為的復(fù)雜性改變。

一個巖漿系統(tǒng)可以具有多個深部巖漿房，每個巖漿房的結(jié)晶殘余都可以富含流體（圖4）；由于流體中Fe溶解度與壓力呈正相關(guān)關(guān)系[48]，深部巖漿房中的殘余流體必然也是富Fe、Ti氧化物組分的流體。因此，當深部巖漿房中的流體進入上覆巖漿房時，流體的減壓膨脹屬性導(dǎo)致骨牌效應(yīng)：從下到上巖漿房依次開啟并釋放其中的殘余流體，匯聚成一股強大的上升流體流。一旦這種流體遭遇半固結(jié)的先存鎂鐵質(zhì)層狀侵入體，就可以使巖漿重新液化和分異：先存晶體被溶解或熔化（斜長石→輝石→橄欖石），同時堆積鐵鈦氧化物。因此，鐵鈦氧化物可與橄欖石、輝石、斜長石及其任意組合形成礦石。由于橄欖石和輝石較難以溶解或熔化，它們在巖漿重新液化過程中將趨于沉淀，使得鎂鐵質(zhì)層狀巖體下部富集鎂鐵質(zhì)礦物，而上部則富集長英質(zhì)礦物和強不相容元素（如P）。此外，流體輸入可大幅降低巖漿的黏度，有利于全巖漿房對流和流動分異作用。一旦對流過程停止，每一個巖漿分層中的流體都會趨于上升，而密度或粒徑較大的晶體趨于下沉。這一過程有利于進一步修飾全巖漿房對流期間產(chǎn)生的分層性質(zhì)，可能是韻律性層理產(chǎn)生的主要機制。從這個角度來說，含礦流體輸入導(dǎo)致了巖漿分異，而不是巖漿分異產(chǎn)生了含礦流體。

透巖漿流體模型的重要疑點之一在于巖漿型礦床中往往缺乏強烈的熱液蝕變現(xiàn)象?；陂L英質(zhì)巖漿相關(guān)礦床的研究，研究人員普遍認識到熱液蝕變現(xiàn)象是成礦系統(tǒng)中存在流體的證據(jù)。但是，熱液蝕變礦物的穩(wěn)定溫度很低（低于500 ℃），由于鎂鐵質(zhì)巖漿的固相線溫度遠高于這個溫度，在典型熱液蝕變礦物穩(wěn)定之前，流體有可能已經(jīng)大部分逃移，所以侵入體內(nèi)只有少量揮發(fā)分可以被保留到較低溫度階段，并導(dǎo)致熱液蝕變現(xiàn)象。正如Norton等指出的那樣，Skaergaard巖體的大部分歷史都與流體平衡，巖體中罕見熱液蝕變現(xiàn)象可能是因為在巖體溫度下降到500 ℃之前揮發(fā)分就已經(jīng)逃逸[49]。當前，流體存在的其他證據(jù)不斷被強調(diào)，如次生單斜輝石、高An斜長石、爆破角礫巖、偉晶巖等。由此可見，巖漿型礦床中并不是不存在流體活動的證據(jù)，而是這些證據(jù)尚未被大多數(shù)研究人員認識到。

5結(jié)語

筆者在長期的教學(xué)和科研工作中深刻認識到理解巖漿系統(tǒng)物理過程的重要性。正如Marsh所述，巖漿過程本質(zhì)上是可以得到化學(xué)扶持的物理過程，而不是相反。由此可見，理解巖漿系統(tǒng)的物理過程具有頭等重要的意義。但是當前多數(shù)研究人員都沒有涉及物理過程，或者僅僅利用化學(xué)參數(shù)套用某些物理過程。由于地質(zhì)環(huán)境的千差萬別，任何物理過程都可能受到不同的物理參數(shù)約束，從而展現(xiàn)出不同的化學(xué)記錄。但是，物理過程的基本樣式不會改變，這也是基于長英質(zhì)巖漿成礦系統(tǒng)提出的透巖漿流體成礦理論同樣適應(yīng)于鎂鐵質(zhì)巖漿成礦系統(tǒng)的根源。

對于白馬巖體來說，由于前人沒有注意到硅酸鹽礦物與礦石礦物的不平衡，導(dǎo)致了證據(jù)鏈的斷裂，進而導(dǎo)致了成因模型的缺憾；同時也應(yīng)當看到，數(shù)值巖石學(xué)是一種強有力的工具，也是當前定量化研究最有效的方法。但是，僅僅依賴數(shù)值巖石學(xué)不可能建立一個完整的地質(zhì)模型，必須得到更多地質(zhì)證據(jù)的約束。以四川攀西地區(qū)白馬巖體為例初步討論了綜合分析的方法，希望對讀者有益。同時，由于所利用的資料來自前人的文獻，各種約束尚不完全。讀者參考本文內(nèi)容時，要特別注意這一點?？傊珜懕疚牡哪康闹饕菑娬{(diào)：數(shù)值巖石學(xué)必須得到地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)的約束，從而逐步深化認識，切實解決所面對的科學(xué)問題。同時，也提請讀者關(guān)注火成巖理論的研究進展，教科書的內(nèi)容僅適應(yīng)于入門教學(xué)，不能作為深入研究的依據(jù)。

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