碱性岩和碳酸岩有关的矿床是全世界稀土元素的主要来源，CO2和H2O等挥发分在岩浆岩的形成、演化、喷发以及成矿等方面发挥着重要作用。此外，岩浆上升过程中会释放大量的CO2和H2O，对于全球气候变化有重要影响。因此，了解岩浆中CO2和H2O含量的变化对于我们理解岩浆岩演化及相关的成矿效应和环境效应非常重要。通常，熔融包裹体是定量化测试岩浆中CO2和H2O含量变化最直接有效的手段。但是，熔融包裹体在多数情况下不易保存或发现，这就要求我们寻找另外一种可替代的方法。磷灰石作为火成岩中一种常见的副矿物，结晶作用可以贯穿岩浆的整个演化过程，并且岩浆岩中磷灰石H2O和CO2含量最高可以达到wt.%。因此，磷灰石在示踪岩浆CO2和H2O的行为上具有巨大的应用潜力。
基于此，中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室博士后苏建辉，与中国地质大学（武汉）资源学院赵新福教授和美国华盛顿州立大学的Johannes Hammerli博士合作，对南秦岭天宝和土地岭火山岩中的磷灰石斑晶开展了原位CO2、H2O和微量元素的测试。前人研究表明天宝和土地岭地区的火山岩均形成于~440-430 Ma，且具有相似的地幔源区。本次研究表明两个地区的火山岩的磷灰石记录了不同的岩浆演化和稀土富集过程：
(1) 天宝地区开展研究的火山岩主要包括碱性玄武岩和两类粗面岩（粗面岩I和粗面岩II）。碱性玄武岩中磷灰石CO2含量具有较大变化范围 (~2.7 wt.%到<100 ppm)，表明该地区初始岩浆富含CO2，但岩浆演化早期释放了大量CO2。碱性玄武岩中磷灰石还具有较高的H2O含量 (0.1-0.6 wt.%)，但是粗面岩中磷灰石含量逐渐降低到<400 ppm，这表明在粗面岩阶段岩浆发生了以H2O为主的脱气或者流体出溶。同时全岩微量元素和磷灰石微量元素表明岩浆演化过程稀土元素不断富集，并最终聚集在粗面岩II中。
(2) 土地岭地区的火山岩主要由粗面岩和碳酸岩组成，该地区粗面岩中的磷灰石具有较高的CO2含量 (0.6-1.5 wt.%)，明显高于天宝粗面岩中磷灰石CO2含量 (<100 ppm)。这表明该地区岩浆演化早期并没有发生大规模的CO2释放，而是在岩浆演化过程中发生了碳酸质岩浆的不混溶。与此同时，微量元素的研究表明该地区稀土元素主要富集在不混溶的碳酸岩浆中，不同于天宝地区稀土元素主要富集在晚期粗面岩中。
以上的研究表明磷灰石的CO2和H2O含量可以很好的示踪岩浆的演化过程，并帮助我们理解稀土元素在岩浆中的富集过程。
图1. (a) 天宝和土地岭各类碱性岩中磷灰石CL图像；(b) 磷灰石稀土元素含量变化。
图2. (a)-(b) 磷灰石CO2和H2O含量变化；(c) 天宝和土地岭各岩性全岩微量元素 (本次研究; Su et al., 2023; Yan et al., 2021)；(d) 土地岭碳酸岩与粗面岩微量元素比值与实验岩石学碳酸岩-硅酸岩不混溶分配系数比较 (Nabyl et al., 2020)。
图3. 天宝和土地岭成岩成矿模式图
该研究成果近期发表在国际期刊Journal of Petrology上。
论文信息：Su, J. H., Zhao, X. F., & Hammerli, J. (2023). Apatite CO2 and H2O as Indicators of Differentiation and Degassing in Alkaline Magmas. Journal of Petrology, 64(8), egad061.
论文链接：https://doi.org/10.1093/petrology/egad061
（矿床室 苏建辉/供稿）