文章簡介

安山巖成分與大陸地殼相似，是理解地殼形成的關(guān)鍵。中國海洋大學(xué)陳龍與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔡仁駿系統(tǒng)回顧了安山巖成因思想的百年演進(jìn)，梳理了從結(jié)晶分異到MASH八大經(jīng)典模型。最新進(jìn)展揭示輝石巖熔融（源區(qū)混合）與安山質(zhì)巖漿低效分離結(jié)晶（晶體-熔體再混合）的關(guān)鍵作用，為俯沖帶物質(zhì)循環(huán)與地殼生長提供了新視角。相關(guān)文章發(fā)表在《中國科學(xué)：地球科學(xué)》2026年第5期。

在地球科學(xué)的宏偉畫卷中，安山巖占據(jù)著獨(dú)特而顯赫的位置。它不僅構(gòu)成了俯沖帶上巍峨的火山弧，更因其平均成分與大陸地殼驚人地相似，成為解讀地殼生長與深部物質(zhì)循環(huán)的“天書”。然而，安山巖這種“承上啟下”的中性成分，恰恰是其成因如此復(fù)雜難解的根源所在。

近期，《中國科學(xué)：地球科學(xué)》“經(jīng)典永流傳”欄目發(fā)表解讀文章，為我們繪制了一幅波瀾壯闊的安山巖成因研究“百年思想地圖”。這篇評述并不旨在提出全新理論，而是系統(tǒng)回顧了科學(xué)家們?nèi)绾我徊讲秸J(rèn)識這種關(guān)鍵巖石，清晰地展現(xiàn)了研究范式如何從“非黑即白”的單一模型爭論，演變?yōu)閺?qiáng)調(diào)“多過程耦合”的復(fù)雜系統(tǒng)思維。

文章的開篇，便以一張集大成的示意圖（圖1），將我們帶入安山巖成因錯綜復(fù)雜的世界。

圖1俯沖帶安山巖成因多模型集成圖。（a）完整展示了俯沖帶巖漿系統(tǒng)從源區(qū)到地表的全過程，也包含了MASH模型，而（b-h）則集中展示了本文將解讀的另外七大經(jīng)典成因模型。它直觀地告訴我們，通往安山巖的路徑，遠(yuǎn)不止一條

百年求索：八大經(jīng)典模型的解讀

文章以獨(dú)特的思想史為主線，聚焦了八座具有里程碑意義的“思想高峰”。這些模型在特定的歷史背景下誕生，既有開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，也無法超越時代的局限。

1. 奠基：結(jié)晶分異模型(Bowen, 1928)
作為一切安山巖成因理論模型的起點，Bowen基于物理化學(xué)原理，提出玄武質(zhì)巖漿可通過礦物依次結(jié)晶分離，向安山質(zhì)成分演化。這奠定了現(xiàn)代巖漿演化的物理學(xué)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代高溫高壓實驗，為我們再現(xiàn)了這一過程（圖2）。其局限在于假設(shè)的“封閉體系”無法解釋安山巖普遍存在的富集特征和開放體系印記。

圖2分離結(jié)晶實驗熔體與天然火山巖成分對比。圖中的彩色線條展示了不同壓力下玄武質(zhì)巖漿的結(jié)晶分異實驗軌跡，而灰色區(qū)域則是天然火山巖成分的分布范圍。實驗軌跡恰好穿過了天然安山巖的區(qū)域，為Bowen的理論在現(xiàn)代板塊構(gòu)造背景下找到了具體的物理化學(xué)實現(xiàn)路徑，證明了分離結(jié)晶作用確實是安山巖形成的關(guān)鍵一環(huán)

2. 修正：同化混染-結(jié)晶分異 (AFC) 模型(DePaolo, 1981)
隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)單存分離結(jié)晶不能解釋安山巖很多成分特征，并據(jù)此提出地殼混染作用。其中，DePaolo實現(xiàn)了關(guān)鍵的理論突破，建立了巖漿在上升過程中“邊結(jié)晶、邊同化圍巖”這一耦合過程的精密定量模型，解釋了安山巖為何常帶有地殼的化學(xué)指紋（圖3）。其挑戰(zhàn)在于，AFC的信號極易與地幔源區(qū)本身的特征相混淆，存在成因識別的多解性。

圖3AFC過程模擬與實例。圖中Cerro Galán火山巖的實際數(shù)據(jù)點（紅虛線）與AFC模擬曲線（彩色實線）的吻合，是AFC模型有效性的有力證明。它定量地展示了巖漿在分離結(jié)晶的同時，通過同化地殼物質(zhì)，如何一步步演化出具有地殼同位素特征的安山巖

3. 轉(zhuǎn)向：地殼熔融模型(Pichler和Zeil, 1971)
該模型實現(xiàn)了一次重要的視角轉(zhuǎn)換：安山巖或許并非來自幔源玄武質(zhì)熔體分異，而是大陸下地殼直接重熔的產(chǎn)物。然而，它很快遇到了熱力學(xué)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——自然界中難以提供讓下地殼大規(guī)模熔融的極端高溫。

4. 開放：巖漿混合模型(Eichelberger, 1975)
Eichelberger等人發(fā)現(xiàn)，安山巖可能是基性玄武質(zhì)巖漿與酸性流紋質(zhì)巖漿在巖漿房內(nèi)直接混合的“中和”產(chǎn)物（圖4）。這將研究范式從“封閉演化”推向了“開放動態(tài)過程”。但巖石中的不平衡結(jié)構(gòu)也可能由“自混合”等其他過程產(chǎn)生，并非異源混合的確鑿鐵證。

圖4巖漿混合經(jīng)典案例：全巖地球化學(xué)趨勢。這張圖展示了巖漿混合最直觀的證據(jù)之一。胡德火山安山巖的SiO?與全堿含量呈現(xiàn)出完美的線性關(guān)系，清晰地連接了基性與酸性兩個端元，是兩種巖漿進(jìn)行物理混合的直接地球化學(xué)記錄

5. 深源：俯沖板片熔融模型(Green和Ringwood, 1968)
該模型通過實驗，直接建立了安山巖與板塊構(gòu)造的聯(lián)系，認(rèn)為俯沖的洋殼板片本身在特定條件下可直接熔融形成安山巖（圖5）。其局限性在于俯沖洋殼熔融大的典型產(chǎn)物是特殊的“埃達(dá)克巖”，與全球大多數(shù)安山巖的成分不符。

圖5俯沖板片熔融及熔體-橄欖巖反應(yīng)實驗產(chǎn)物成分展示圖。此圖揭示了板片熔融的真實情況。純板片熔體（板片熔融端元）的成分往往過于極端，落在天然安山巖區(qū)域之外。但當(dāng)這些熔體在上升過程中與地幔橄欖巖發(fā)生反應(yīng)后（反應(yīng)熔體端元），其成分便被顯著改造，向天然安山巖靠近。這為“板片熔融+地幔反應(yīng)”這一混合成因提供了關(guān)鍵的實驗約束

6. 顛覆：含水橄欖巖熔融模型(Kushiro, 1972)
Kushiro的實驗實現(xiàn)了一項顛覆性發(fā)現(xiàn)：在有水參與時，地幔橄欖巖中的斜方輝石會發(fā)生不一致熔融，直接產(chǎn)生高硅的安山質(zhì)熔體。這首次從實驗上證明，地幔本身即可成為安山巖的直接源區(qū)，而不必經(jīng)玄武質(zhì)巖漿分異而來（圖6）。當(dāng)然，該模型的局限在于，單純的含水熔融無法解釋弧安山巖中強(qiáng)烈的殼源沉積物信號（如高Th/La比），暗示真實的源區(qū)過程更為復(fù)雜。

圖6含水橄欖巖部分熔融實驗產(chǎn)物成分展示圖。圖中含水條件下生成的熔體突破了干體系熔體的成分范圍，形成更高SiO?、低MgO的熔體，與天然安山巖直接重合。這直觀證實了水在催生高硅安山質(zhì)初始熔體中的決定性作用

7. 混血：輝石巖熔融模型(Nicholls和Ringwood, 1973)
此模型標(biāo)志著一個重要分水嶺。它提出，來自板片的富硅熔體會先與地幔橄欖巖反應(yīng)，生成一個全新的、更易熔的“混血”源區(qū)——輝石巖，再由其熔融形成安山巖。這實現(xiàn)了從單一源區(qū)到混合源區(qū)的范式轉(zhuǎn)變，挑戰(zhàn)了橄欖巖為唯一地幔源區(qū)的傳統(tǒng)認(rèn)知。

8. 集成：MASH與多過程整合模型(Hildreth和Moorbath, 1988)
該模型是“系統(tǒng)思維”的勝利。它指出，安山巖的最終定型處是下地殼一個巨大的“高溫反應(yīng)區(qū)”（MASH），在那里，熔融(M)、同化(A)、存儲(S)和均一化(H)等多種過程同時、反復(fù)地作用于不斷注入的幔源巖漿（圖7和圖1a）。從此，學(xué)界不再一味地爭論單一機(jī)制，而是轉(zhuǎn)向構(gòu)建整合所有過程的統(tǒng)一框架。

圖7MASH模型經(jīng)典案例：安第斯弧安山巖Nd同位素與緯度和地殼厚度的關(guān)系。這是提出MASH模型的關(guān)鍵證據(jù)。圖中清晰顯示，隨著地殼增厚，安山巖的放射性成因Nd同位素比值系統(tǒng)性降低（變得更富集）。這一趨勢被解釋為，巖漿在更厚的下地殼中經(jīng)歷了更強(qiáng)烈的MASH過程，從而混染了更多古老的、貧放射性成因Nd的下地殼物質(zhì)

經(jīng)典的貢獻(xiàn)與局限：從單一走向耦合

上述八大模型并非簡單的更替，而是構(gòu)成了一部“從一到多”的思想演進(jìn)史。文章精辟地將所有模型歸納為兩大類：一類強(qiáng)調(diào)巖漿過程，另一類則聚焦源區(qū)性質(zhì)。

然而，從現(xiàn)代視角看，任何單一模型都難以解釋安山巖的全部特征。純粹強(qiáng)調(diào)過程的模型，忽視了對初始熔體成分的約束；而聚焦源區(qū)的模型，其獨(dú)特的地球化學(xué)信號又往往在后期復(fù)雜的地殼過程中被掩蓋。當(dāng)前，最大的認(rèn)識論困境在于：強(qiáng)調(diào)過程的主流模型內(nèi)部，對分離結(jié)晶發(fā)生的壓力（深度）存在根本爭議——實驗巖石學(xué)支持中-低壓路徑，而自然觀測與熱力學(xué)模擬則指向下地殼高壓環(huán)境；而強(qiáng)調(diào)源區(qū)的幔源安山質(zhì)熔體模型，則苦于其地球化學(xué)“指紋”極易被后期過程改造或抹去。

正是在這一困境下，文章引介了一項基于全球數(shù)據(jù)系統(tǒng)校正的最新研究，為突破僵局提供了新的視角。

突破：安山質(zhì)熔體低效分離結(jié)晶與再混合模型

Cai等(2025)依據(jù)天然巖石及其中斑晶礦物的實際比例，對全球弧火山巖熔體包裹體數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后發(fā)現(xiàn)：校正前包裹體SiO?呈雙峰分布，似支持兩端元混合成因；校正后則匯聚為單峰，玄武質(zhì)峰消失（圖8）。更為重要的是，校正后的熔體包裹體SiO?含量系統(tǒng)性高于其寄主安山巖。

圖8校正前后全球弧火山巖熔體包裹體SiO?成分分布圖。這張圖揭示了一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)變：前人未校正的數(shù)據(jù)（綠色）呈雙峰分布，似乎支持基性與酸性兩端元混合成因；而經(jīng)精確校正后（黃色），數(shù)據(jù)匯聚為單峰分布，玄武質(zhì)峰消失。更重要的是，校正后的熔體包裹體SiO?含量系統(tǒng)性高于其寄主安山巖，表明安山巖并非由玄武質(zhì)與流紋質(zhì)巖漿混合而成，而是源自地幔的安山質(zhì)熔體在上升過程中經(jīng)歷低效分離結(jié)晶，晶體滯留并與殘余熔體再混合的產(chǎn)物

這些發(fā)現(xiàn)指向了一個與主流認(rèn)識迥異的成因機(jī)制。該模型提出，安山巖并非玄武質(zhì)巖漿分異或端元混合的產(chǎn)物，而是直接源于地幔源區(qū)中富硅輝石巖部分熔融產(chǎn)生的原始安山質(zhì)熔體。這一初始熔體在上升過程中，因高黏度和低晶體-熔體密度差，導(dǎo)致分離結(jié)晶效率極低。大量晶體未能有效分離，而是與演化的殘余熔體發(fā)生再混合，最終固結(jié)形成我們看到的安山巖——這不僅解釋了安山巖中豐富的斑晶（低效分離的結(jié)果）和普遍的非平衡結(jié)構(gòu)（再混合的記錄），也揭示了安山巖那“先天”的偏酸性特征，其根源在于源區(qū)，而非過程。

這一新模型的意義在于，它同時回應(yīng)了前述兩大困境：在過程維度上，它不依賴于高壓或低壓的路徑之爭，因為過程本身的貢獻(xiàn)可能有限；在源區(qū)維度上，它明確提出富硅輝石巖源區(qū)潛在的關(guān)鍵作用，為尋找能夠抵抗后期改造的“源區(qū)指紋”指明了方向。

前瞻：破解“源區(qū)”與“過程”的協(xié)同密碼

面對“多過程耦合”已成學(xué)界共識的當(dāng)下，文章精準(zhǔn)地指出了未來的攻堅方向——必須協(xié)同破解“源區(qū)”與“過程”的雙重密碼。

首先，要深化源區(qū)探測，識別并量化輝石巖的貢獻(xiàn)。未來需要綜合對源區(qū)巖性更為敏感的元素-同位素體系（如Fe/Zn比值、Fe同位素等）和地球物理探測手段，直接尋找并量化俯沖帶地幔中輝石巖源區(qū)的存在。同時，亟待開展針對俯沖帶交代成因富硅輝石巖的高溫高壓部分熔融實驗，填補(bǔ)當(dāng)前實驗巖石學(xué)的關(guān)鍵空白。

其次，要精確量化過程，構(gòu)建動力學(xué)-熱力學(xué)耦合模型。需要借助新一代數(shù)值模型，系統(tǒng)模擬并約束低效分離結(jié)晶、晶體-熔體再混合、沉降與再懸浮等動力學(xué)過程的物理條件（如熔體黏度、應(yīng)變速率、巖漿房幾何形態(tài)）及其對最終安山巖成分和結(jié)構(gòu)的定量貢獻(xiàn)。

通過對這兩個維度的精細(xì)解析，我們不僅能最終揭示安山巖的形成機(jī)制，也將為理解整個俯沖帶的物質(zhì)循環(huán)和大陸地殼生長過程提供關(guān)鍵的深部約束。這篇評述梳理了安山巖成因研究百年來從單一模型爭論走向多過程耦合的思想脈絡(luò)，又通過對最新前沿進(jìn)展的引介揭示了未來的攻關(guān)方向，為理解這一經(jīng)典命題提供了清晰的知識坐標(biāo)。正如文章所言，安山巖這一古老而常新的命題，仍有許多未解之謎等待探索。

文章出版信息

中文版：陳龍, 蔡仁駿. 2026. 安山巖成因思想的百年演化. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 56(5): 1973–1987

英文版：Chen L, Cai R. 2026. Petrogenesis of andesite: A century of conceptual evolution. Science China Earth Sciences, 69(5): 1932–1945, https://doi.org/10.1007/ s11430-025-1914-3

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（本文編輯：劉四旦）

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