在过去的数百年间，人们普遍相信“岩浆房”存在于在火山地壳的内部，如仓库一般储藏着大规模处于熔融状态的岩浆。但从本世纪初以来，随着人们对火山过程和岩浆活动的理解不断加深，该传统理论逐渐被一个新的模型所替代，即：跨地壳的岩浆系统主要由晶粥主导；火山是一个由晶粥组成的、垂直扩展且不稳定的系统，而熔融物质仅存在于整个岩浆系统的最顶部。该模型的提出基于对大量现存火山的物理化学、岩石学、火山学研究以及地质观察，但对该模型的进一步研究和验证遇到了许多问题，例如现代地球物理成像技术无法识别地壳内小规模（小于1 km）的熔融物质，而元素分布的不均匀性和局域解耦现象也降低了地球化学手段在一些结晶历史复杂地区的准确性。这些问题使人们对地质过程的准确描述变得困难重重。
图1：加州长谷流纹岩斑晶黑云母（Bt）的环带
为精确解译火山系统的构造以及相应的岩浆演化过程，中国科学院广州地球化学研究所何宏平院士团队的杨宜坪博士和席佳鑫博士研究生等，深入探究了长谷火山地区流纹岩中黑云母斑晶的结构和成分对其结晶环境的温度、压力、深度和氧逸度等条件的响应。实验表明，该地区的黑云母均具有成分环带，核心区域富含Si、Mg和K，而边缘区域则贫乏Fe、Ti和Al（图1）。通过微区X射线衍射、拉曼光谱和透射电子显微镜等微区结构分析，发现斑晶黑云母的核心呈现有序的2M1多型结构，而边缘则显示无序特征（如图2）。结构特征说明，样品黑云母的核心生长于高温高压的平衡结晶条件下，而其外侧环带则生长于低压下快速结晶的过程中。结合地球化学数据，黑云母斑晶至少经历两阶段结晶——即核部于高温的深源岩浆储库缓慢平衡结晶，边部于浅部晶粥中在二次活化和喷发过程中快速非平衡结晶——的机制得以揭示。该研究用云母的成分和结构环带还原了长谷火山口深源岩浆由地幔和下地壳上涌至浅部地壳（以冷却的晶粥形式储存），后经历岩浆混合和再活化后快速喷发至地表的全过程。
图2：透射电镜下黑云母核部（a-b）和边部（c-d）的结构差异
基于上述结果，研究首次提出了火成岩深源斑晶的矿物“结构环带”。该特征可作为一种重要的、高敏感性的平衡指标和温压计，应用于重建岩浆火山系统的结构、结晶期次和环境条件中。结构环带和成分环带的有机结合，可为理解流纹岩岩浆的管道系统结构及喷发历史提供重要见解，为通过矿物学研究追溯火山演化提供新途径。
图3：长谷火山口下伏岩浆通道的结构及流纹岩浆的喷发过程
相关成果近期发表于国际地学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》，该项研究成果获得了国家自然科学基金、CAS青年创新促进会、广州市科技计划项目资助、广东省科技计划项目和中国科学院广州地球化学研究所所长基金等项目的联合资助。
论文信息：Jiaxin Xi (席佳鑫),Yiping Yang* (杨宜坪),Huifang Xu (徐慧芳),Haiyang Xian (鲜海洋),Fabin Pan (潘发斌),Shan Li (李珊),Shuo Xue (薛硕),Yonghua Cao (曹永华),Jianxi Zhu (朱建喜),Hongping He (何宏平),Reconstruction of Magma Plumbing System and Regional Magmatic Processes via Chemical and Structural Zoning of Biotite in Rhyolite from Long Valley,CA. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2024,129(9).
论文链接：https://doi.org/10.1029/2024JB029205
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