2020, Vol. 36
大火成岩省(Large Igneous Provinces)的概念最早由Coffin and Eldholm (1994)提出，用以描述由镁铁质-超镁铁质火山岩及其伴生侵入岩组成的、巨量喷发形成的岩浆建造，其覆盖面积大于105km2，体积大于105km3，其中75%以上的体积在短时间内(1~5Myr)形成(Bryan and Ernst, 2008)，这类大火成岩省一般被称为镁铁质大火成岩省(Mafic Large Igneous Provinces)。Bryan et al. (2002)正式提出了硅质大火成岩省(Silicic Large Igneous Provinces)的概念，其体积和覆盖面积与镁铁质大火成岩省类似(>105km2，>105km3)，但80vol.%以上的岩浆岩为长英质岩石，如熔结凝灰岩、流纹岩、英安岩、花岗岩，具有从Ⅰ型向A型花岗质岩石过渡的特点，此外，其形成时间相对较长，可达~40Myr，多呈条带状产出在板块边缘(Bryan, 2007; Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013)。王德滋和周金城(2005)在国内最早引入了这一概念，将其称作长英质大火成岩省，并对其主要特征、岩石组合、分布范围等做了详细论述，首次提出了我国东南地区浙、闽、赣三省的白垩纪中酸性火山岩以及与之有成因联系的花岗岩可能构成了一个长英质大火成岩省，并认为中酸性岩浆的形成很可能是与玄武质岩浆底侵作用导致的地壳大规模熔融有关。
大火成岩省代表了地球演化历史中最大的火山作用，多数学者认为其形成与地幔柱活动和超大陆的裂解密切相关，记录了巨量物质与能量从核-幔边界或上-下地幔边界向地表转移的过程，是了解深部地质过程的重要窗口(Morgan, 1971; Griffiths and Campbell, 1990; Campbell and Griffiths, 1990; Courtillot et al., 1999; 徐义刚, 2002; 王德滋和周金城, 2005; Campbell, 2007; Xia et al., 2013)。同时，大火成岩省形成过程中可以使得大量气溶胶通过火山作用喷射进入大气对流层和平流层，对气候环境造成显著影响，有些学者认为这可能是生物大灭绝事件的重要诱因(Robock, 2000; Wignall, 2001, 2005)。此外，大火成岩省独有的巨量岩浆活动，有利于成矿物质的聚集和能量的交换，其本身就是一个大成矿系统，有岩浆硫化物型、氧化物型、热液型等多种矿床产出(肖龙等, 2007; Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013)，甚至卡林型金矿也和其存在着间接的联系(Tassara et al., 2017; Zhu et al., 2020)。
因此，近几十年来，大火成岩省的成因和深部动力学过程一直是学术界所聚焦的热点问题，但多数研究都集中在镁铁质大火成岩省，硅质大火成岩省则未受到广泛的关注。近年来的研究表明，硅质大火成岩省可具有比部分镁铁质大火成岩省更大的体积和覆盖面积，记录了大规模的地壳重熔和再循环的演化过程(Bryan and Ferrari, 2013)；由于喷射高度能够到达平流层，硅质大火成岩省对气候的影响可能比镁铁质大火成岩省更为显著；同时，硅质大火成岩省还与浅成低温热液型矿床的形成密切相关。鉴于硅质大火成岩省具有上述重要地质意义，而目前国内对其研究较少，本文概述了硅质大火成岩省的特点，收集整理了世界上五个硅质大火成岩省的全岩地球化学数据，在前人工作的基础上对其形成机制、与资源和环境的关系进行了综述和探讨，旨在为硅质大火成岩省的进一步研究提供信息。
1 硅质大火成岩省的分布与特点 1.1 硅质大火成岩省的分布、规模与形成时间目前世界上已知的硅质大火成岩省数量少于镁铁质大火成岩省，其中被学术界广泛承认也是规模最大的硅质大火成岩省有三个：墨西哥西部的Sierra Madre Occidental(Ferrari et al., 2002, 2018; Aguirre-Díaz and Labarthe-Hernández, 2003)、南美洲南部和南极洲西部的Chon Alike(Pankhurst et al., 1998, 2000; Riley et al., 2001)、澳大利亚东部的Whitsunday(Ewart et al., 1992; Bryan et al., 1997, 2000)，其覆盖面积、体积、形成时间见表 1。此外，中国华南(South China)可能存在一个或数个硅质大火成岩省(王德滋和周金城, 2005; 张旗, 2013; Wang et al., 2016)，印度Malani和澳大利亚Kennedy-Connors-Auburn也被认为可能是硅质大火成岩省(Sharma, 2005; Bryan, 2007; de Wall et al., 2018)。需要注意的是，由于目前对硅质大火成岩省的研究相对较少，可能还有一些硅质大火成岩省尚未被识别。
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表 1 世界上5个主要硅质大火成岩省的位置、规模与形成时间 Table 1 The location, scale and age of five main S-LIPs |
与镁铁质大火成岩省多产出在大陆内部不同，硅质大火成岩省多位于大陆边缘，在聚敛边界后缘的位置呈条带状分布(图 1)，并常伴有大岩墙群出露，这些十分陡倾的岩墙群甚至可沿其走向蔓延上千千米(Kennedy-Connors-Auburn, Bryan, 2007及其所引参考文献)，前人研究表明，硅质大火成岩省多产出于伸展的构造背景中，其形成可能在时空上与洋盆开裂和大陆裂解密切相关(Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013)，还可能与镁铁质大火成岩省有关联，如在重建的~200Ma的Gondwana大陆上，Chon Alike硅质大火成岩省被Karoo-Ferrar镁铁质大火成岩省包围(Dalziel, 1992; Dalziel et al., 2000; Bryan and Ernst, 2008)。
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图 1 世界主要大火成岩省分布图(据Bryan and Ferrari, 2013修改) Fig. 1 Global distribution of main Large Igneous Provinces (modified after Bryan and Ferrari, 2013) |
硅质大火成岩省的体积多大于2×105km3，如果将火山碎屑沉积物也折算在内，Whitsunday的体积甚至可达2.2×106km3(Bryan et al., 2000)；硅质大火成岩省覆盖面积多大于5×105km2，最高可达3×106km2(Chon Alike)，其规模和镁铁质大火成岩省类似，远远高于此前被认为代表了地球历史上最大硅质岩浆活动的位于新西兰的Taupo Volcanic Zone(体积约2×104km3，覆盖面积300km×600km；Wilson et al., 1995; Houghton et al., 1995)，因此硅质大火成岩省的形成代表了地球上最大规模的硅质岩浆作用事件。
硅质大火成岩省产出的时代跨度较大(从元古宙至今)，目前已识别的硅质大火成岩省多数在近300Ma形成，受后期地质作用改造较弱，如Sierra Madre Occidental在始新世至中新世形成，是目前年代最新、保存最为完好的硅质大火成岩省之一；Chon Alike形成于侏罗纪；Whitsunday形成于白垩纪(表 1)；位于澳大利亚东北部的Kennedy-Connors-Auburn硅质大火成岩省，在石炭纪至二叠纪形成(320~280Ma)。同时，一些研究表明，元古宙同样有硅质大火成岩省形成，如位于印度的Malani形成于~750Ma(Sharma, 2005; de Wall et al., 2018)，位于澳大利亚南部的Gawler Range-Hiltaba形成于~1590Ma(Creaser and White, 1991)，这些年龄较老的硅质大火成岩省受构造运动、风化剥蚀等地质作用改造明显，因此世界上可能存在我们至今尚未识别的时代较早的硅质大火成岩省(Bryan and Ferrari, 2013)。
1.2 岩石学特征硅质大火成岩省主要由流纹质熔结凝灰岩及与之有成因联系的花岗岩组成，还常包括玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩等一系列熔岩。镁铁质大火成岩省中的酸性岩浆岩通常斑晶含量较少(< 20vol.%)，无含水矿物斑晶(Bryan and Ernst, 2008)；而硅质大火成岩省中凝灰岩的晶屑含量变化明显，大致可分为 < 10vol.%和>50vol.%两类，主要由长石(斜长石为主)、石英、钛铁氧化物、辉石组成，并常含有黑云母、角闪石等含水矿物(Cameron et al., 1980; Ewart et al., 1992; Bryan, 2007; Bryan and Ferrari, 2013)。这些长英质岩石多为钙碱性系列，具有从聚敛板块边界向板内、从Ⅰ型向A型花岗质岩石过渡的地球化学特征(Bryan, 2007; Bryan and Ferrari, 2013)。镁铁质大火成岩省中心区域中常见苦橄质岩石出露(如峨眉山大火成岩省)，指示高温的地幔柱(~1600℃)在干的条件下使得地幔部分熔融，代表着无水、高温、缺少挥发分的形成条件(Zhang et al., 2006)；而硅质大火成岩省仅有少量玄武质岩石出露，几乎无苦橄质熔岩，取而代之的是(橄榄)粗安岩和赞岐岩(Whitsunday，中国东部；Bryan et al., 2000; 王德滋等, 1996; 张旗, 2013)，与长英质岩石的含水矿物一起，指示了硅质大火成岩省形成于含水、富含挥发分的环境(Wark, 1991; Ewart et al., 1992; 张旗, 2013)。
1.3 喷发机制硅质大火成岩省中大部分地区主要出露火山碎屑岩(如Chon Alike, Sierra Madre Occidental)，但也有部分地区以长英质熔岩为主(如Gawler)。
硅质大火成岩省中巨量熔结凝灰岩的形成，可能与破火山机构密切相关(Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000; Swanson et al., 2006; Bryan, 2007)。破火山口是在拉伸构造背景下，大量火山灰涌出后岩浆房顶部塌陷所形成，其直径多为10~40km，Chon Alike大火成岩省中甚至有直径达到100km的破火山口(Riley et al., 2001)，当数个几百平方千米的破火山口叠置在一起时，其喷发的凝灰岩体积就可以达到构成大火成岩省的数量级(Fisher and Schmincke, 1984; 王德滋和周金城, 2005)。然而，虽然将破火山机构作为熔结凝灰岩主要喷发来源的观点受到了广泛的认可，但在硅质大火成岩省中，相较于它们所产出的庞大的凝灰岩体积，发现和识别的破火山口的数量还很少，如Sierra Madre Occidental硅质大火成岩省至今识别的破火山口不足20个(Swanson and McDowell, 1984; Aguirre-Díaz and Labarthe-Hernández, 2003; Swanson et al., 2006)，而Whitsunday硅质大火成岩省只识别出5个破火山机构(Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000)，这可能与后期构造变形、剥蚀的影响有关，但真正的原因仍需进一步研究。
部分硅质大火成岩省中大面积流纹质熔岩流的形成，可能与其源区的水含量和F含量密切相关。这是因为熔体中低的水含量可以降低岩浆的泡沫化，从而降低其爆发性，而熔体中高的F含量可以起到解聚作用使得岩浆粘度降低(Dingwell and Mysen, 1985; Dingwell, 1996; Giordano et al., 2008)。Agangi et al. (2012)研究认为Gawler中巨量的流纹质熔岩的形成与水不饱和、富F的岩浆密切相关。然而，这一解释与目前受广泛认可的富水地壳重熔的模式相矛盾(Bryan et al., 2002; Bryan, 2007)，如何调和这一矛盾仍需进一步的研究。
相比于镁铁质大火成岩省75%以上的体积都在1~5Myr形成，硅质大火成岩省形成的时间跨度较长，可达~40Myr，表现为多期次多阶段的岩浆活动规律，可能具有多个岩浆活动的主峰期，是一个长期积累、随机形成的过程(Bryan and Ernst, 2008)。事实上，无论是哪种类型的大火成岩省，虽然都代表着较短时间内岩浆的巨量喷发，但其源区部分熔融形成岩浆的过程仍需较长时间的积累，在岩石圈底部与MORB进行充分的物质交换，当岩浆积累到一定程度，使得上覆岩石在压力作用下破裂，就形成了岩浆的运移通道(张旗, 2013)。不同于镁铁质大火成岩省由岩石圈底部的玄武质岩浆房直接喷发形成，硅质大火成岩省可能是由岩浆底侵或地幔柱上升烘烤下地壳使其部分熔融形成的，其形成的时间跨度取决于为之提供热源的地幔物质能够在地壳底部停留的时间，随着烘烤下地壳热源的变化，熔融一部分，喷发一部分，因此硅质大火成岩省的岩浆作用的持续时间往往较长，可达几十个百万年。
2 硅质大火成岩省形成机制为综合对比和探讨硅质大火成岩省的成因及构造背景，本文收集了世界上五个典型硅质大火成岩省：Sierra Madre Occidental(Wark, 1991; Albrecht and Goldstein, 2000; Ferrari et al., 2007)、Whitsunday(Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000)、Chon Alike(其中南极洲Peninsula数据来自Riley et al., 2001；南美洲Patagonia数据来自Pankhurst and Rapela, 1995)、Malani(Van Lente et al., 2009; de Wall et al., 2018; Wang et al., 2018)、South China(Wang et al., 2016)的岩浆岩主微量元素数据(共229件)和Sr-Nd同位素数据(共162件)。少量样品的稀土元素(REE)有部分缺失，数据处理时采取插值法进行了补充。
2.1 地质特征和岩石组合下面介绍上述5个典型硅质大火成岩省的地质特征和岩石组合，其空间位置见图 1。
Sierra Madre Occidental硅质大火成岩省位于墨西哥西部，沿东太平洋呈北西-南东向条带状分布，体积高达3.9×105km3，大规模的硅质(到双峰式)岩浆活动发生在38~20Ma之间，其形成与加利福尼亚湾的裂谷作用密切相关，岩石组合以流纹质熔结凝灰岩为主，夹有5%~10%的基性-酸性的熔岩(Cameron et al., 1980; Ferrari et al., 2018)。
Chon Alike硅质大火成岩省由南美洲南部的Patagonia和南极洲西部的Peninsula组成，是目前覆盖面积最大的硅质大火成岩省(3×106km2)，其体积高达2.3×105km3，它由Chon Alike、Marifil、Bajo Pobre、Lonco Trapial四个建造构成，其形成年代有所重叠，在180~140Ma形成，岩石组合以流纹质熔结凝灰岩为主，夹有玄武岩，还有部分镁铁质熔岩、英安质熔结凝灰岩(Pankhurst et al., 1998; Riley et al., 2001)。
Whitsunday硅质大火成岩省位于澳大利亚东部，在西太平洋呈北西-南东向条带状分布，是目前体积最大的硅质大火成岩省，高达2.2×106km3，在132~95Ma形成，其形成与冈瓦纳大陆东部的裂解密切相关，岩石组合以英安质-流纹质岩屑凝灰岩为主，被宽度可达50m的辉长岩/辉绿岩、流纹岩岩脉及伴生的花岗岩后期侵入(Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000)。
Malani硅质大火成岩省位于印度西北部，其面积大于55000km2，是目前为数不多的元古宙硅质大火成岩省，形成于760±10Ma，其岩石组合具有双峰式的特点，但以硅质岩石为主，还有较多伴生的花岗质岩石和镁铁质与长英质岩脉侵入体(de Wall et al., 2018)。
South China硅质大火成岩省主要分布在中国东南沿海的浙江、福建、江西、广东一带，其分布面积105km2以上，如果将与其有成因联系的花岗岩考虑在内，其体积在1.5×105km3以上，岩石组合由流纹质熔结凝灰岩、流纹岩-玄武岩双峰式组合构成(王德滋和周金城, 2005; Wang et al., 2016)。
2.2 岩石主微量元素组成在TAS图解上，可见硅质大火成岩省从成分上由基性岩到酸性岩均有产出，包括玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩一系列熔岩以及不同成分的火山碎屑岩，其中又以SiO2>60%的中酸性岩石为主(图 2a)，大量产出的流纹质凝灰岩是构成硅质大火成岩省的主体，这些岩石多为钙碱性系列(图 2a)，显示在准铝质和过铝质之间过渡的性质(图 2b)。硅质大火成岩省中钙碱性的中酸性岩浆岩多具有斜长石、碱性长石、石英、黑云母、角闪石斑晶，具有Ⅰ型花岗质岩石的特点，而10000Ga/Al的值指示了其从Ⅰ型向A型花岗质岩石过渡的特点(图 2c, d)。不同大火成岩省的岩浆岩样品在SiO2与TiO2、MgO、Al2O3、CaO、K2O的哈克图解上显示出了十分相似的演化趋势(图 3)；同时，在球粒陨石标准化稀土元素配分型式图和原始地幔标准化微量元素蛛网图上，这些样品也展现出了趋势相似、配分曲线大致平行的特点，均具有不同程度的Nb、Ta的负异常及Ba、Eu、Sr、Ti、P的亏损(图 4)；这说明世界上不同地区、不同年代的硅质大火成岩省可能是在类似的环境下形成的，这类巨量中酸性岩石所构成的大火成岩省可能具有相似的形成机制(Bryan and Ernst, 2008)。
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图 2 五个硅质大火成岩省岩浆岩地球化学判别图解 (a) TAS图解(底图据Le Bas et al., 1986)；中酸性岩浆岩(SiO2>60%)A/CNK-A/NK图解(b, 底图据Maniar and Piccoli, 1989)、10000Ga/Al -Nb判别图(c, 底图据Whalen et al., 1987)和10000Ga/Al-Zr判别图(d, 底图据Whalen et al., 1987). A-A型花岗质岩石; Ⅰ-Ⅰ型花岗质岩石; S-S型花岗质岩石; M-M型花岗质岩石.数据来源：Sierra Madre Occidental(Wark, 1991; Albrecht and Goldstein, 2000; Ferrari et al., 2007)、Whitsunday(Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000)、Chon Alike(其中南极洲Peninsula数据来自Riley et al., 2001；南美洲Patagonia数据来自Pankhurst and Rapela, 1995)、Malani(Van Lente et al., 2009; de Wall et al., 2018; Wang et al., 2018)、South China (Wang et al., 2016).后图数据来源和图例同此图 Fig. 2 Geochemical discrimination diagrams for igneous rock samples from five S-LIPs (a) TAS diagram for igneous rock samples from five S-LIPs (after Le Bas et al., 1986); (b) A/CNK vs. A/NK diagram (after Maniar and Piccoli, 1989); (c) 10000Ga/Al vs. Nb diagram (after Whalen et al., 1987); (d) 10000Ga/Al vs. Zr diagram (after Whalen et al., 1987). A-A-type granitoid; Ⅰ-Ⅰ-type granitoid; S-S-type granitoid; M-M-type granitoid. Data source: Sierra Madre Occidental (Wark, 1991; Albrecht and Goldstein, 2000; Ferrari et al., 2007), Whitsunday (Ewart et al., 1992; Bryan et al., 2000), Chon Alike (Peninsula from Riley et al., 2001; Patagonia from Pankhurst and Rapela, 1995), Malani (Van Lente et al., 2009; de Wall et al., 2018; Wang et al., 2018), South China (Wang et al., 2016). Data source and symbols are listed in this figure |
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图 3 五个硅质大火成岩省岩浆岩样品的哈克图解 SiO2对TiO2 (a)、Al2O3 (b)、MgO (c)、CaO (d)、Na2O (e)和K2O (f)图解 Fig. 3 Harker diagrams for igneous rock samples from five S-LIPs SiO2 against TiO2 (a), Al2O3 (b), MgO (c), CaO (d), Na2O (e) and K2O (f) diagrams |
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图 4 五个硅质大火成岩省中酸性岩浆岩(SiO2>60%)球粒陨石标准化稀土元素配分型式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据McDonough and Sun, 1995) Fig. 4 Chondrite-normalized REE pattern (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) for intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs (normalized values from McDonough and Sun, 1995) |
流纹质岩浆可以主要由以下两种机制形成：地壳部分熔融，或者中基性岩浆发生高程度分离结晶作用。Riley et al. (2001)认为Chon Alike的酸性岩石由地壳部分熔融形成，而Pankhurst et al. (1998)虽然认可由底侵岩浆导致地壳熔融形成酸性岩浆的机制，但同时指出Chon Alike大火成岩省中有大量的流纹质岩石的化学组成，同样也都可以通过中基性岩浆分离结晶模型模拟得到，所以不一定全部都是地壳部分熔融形成。在二十世纪八九十年代，Cameron及其合作者(Cameron et al., 1980)通过一系列的研究认为Sierra Madre Occidental的硅质岩浆主要来源于幔源镁铁质岩浆的分离结晶，并且几乎没有受到地壳混染的影响，但Bryan and Ernst (2008)的研究表明，Sierra Madre Occidental中锆石U-Pb测年的年龄普遍大于斜长石或黑云母40Ar/39Ar测年的年龄，因此他们推测这些锆石是源于早期形成的深成岩体的继承锆石，反应了早期岩浆底侵地壳加厚，和随后地壳重熔生成硅质岩浆的过程。Ewart et al. (1992)认为Whitsunday的中酸性岩石是幔源岩浆和新生下地壳重熔形成的流纹质岩浆混合后，再经历了不同程度分离结晶的产物。
如上所述，尽管对硅质大火成岩省长英质岩石的成因仍有争议，但多数学者还是倾向于大规模长英质岩浆是由地壳部分熔融形成(Riley et al., 2001; Bryan, 2007; Bryan and Ernst, 2008)，因为玄武质岩浆通过分离结晶通常只能形成约5vol.%的流纹质岩浆，而如果要完全通过分离结晶作用形成大火成岩省规模的酸性岩浆(>105km3)，则意味着至少在深部存在数十倍于大火成岩省体积的堆晶，这几乎是不可能的(王德滋和周金城, 2005)。
地壳部分熔融能否形成大规模长英质岩浆取决于两个关键因素：(1)地壳的含水量及组成；(2)地幔能否提供足够的热量(Bryan et al., 2002; Bryan and Ferrari, 2013)。
前人通过实验岩石学的方法模拟含水玄武岩、变玄武岩、角闪岩在不同物理化学的条件下的部分熔融(Helz, 1976; Spulber and Rutherford, 1983; Beard and Lofgren, 1989, 1991)，结果表明其熔体中Al2O3含量主要受水含量影响，氧逸度和起始组分则为次要因素。因为较高的水压(PH2O)可以缩小斜长石和石英的稳定范围，因此PH2O越高，这些长英质矿物就越容易熔融，熔体中Al2O3含量就越高(Spulber and Rutherford, 1983; Conrad et al., 1988)。Thy et al. (1990)的研究表明冰岛流纹岩落在PH2O < 1kbar的范围内，因此认为这些流纹岩源于地壳的部分熔融。而在图 5中，五个硅质大火成岩省的中酸性岩石与冰岛流纹岩类似，均落入PH2O < 1kbar的范围内，指示其可能为富水下地壳熔融的产物。此外，区别于镁铁质大火成岩省岩石无含水矿物，硅质大火成岩省中的长英质岩石多以具有角闪石、黑云母等含水斑晶为特征，同样指示其来自富水的源区(Bryan, 2007)。
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图 5 含水玄武质地壳在不同PH2O下熔融形成熔体中SiO2与Al2O3协变图(据Thy et al., 1990修改，实验岩石学数据来自Helz, 1976; Spulber and Rutherford, 1983; Beard and Lofgren, 1989) 岩石样品为来自5个不同硅质大火成岩省的中酸性岩浆岩(SiO2>60%) Fig. 5 SiO2 vs. Al2O3 in the melts produced by partial melting of hydrous basaltic crust under different PH2O (after Thy et al., 1990, experimental petrology data from Helz, 1976; Spulber and Rutherford, 1983; Beard and Lofgren, 1989) The rock samples are intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs |
地壳发生大规模的熔融需要其底部有足够的热量进行加热，前人的研究通常将其解释为底侵的玄武质岩浆烘烤下地壳，如Sierra Madre Occidental(Bryan and Ferrari, 2013)；而这一热源也可能是地幔柱，如Chon Alike就被认为是Gondwana大陆裂解时，形成Karoo镁铁质大火成岩省的地幔柱加热下地壳部分熔融的产物(Riley et al., 2001; Bryan, 2007)。从能量守恒的角度出发，如果地壳熔融形成了大火成岩省规模的酸性岩浆，那么为之提供热量的热源(镁铁质岩浆)的体积应当同样至少有大火成岩省的规模。Ernst (2014)提出每个硅质大火成岩省实际上都可以被认为是“隐伏的镁铁质大火成岩省”，即在地壳深部存在大火成岩省体积的镁铁质岩体。镁铁质大火成岩省一般出现在古老的、几乎不含水的地壳内，这是因为当地幔柱向上移动时，由于含水量低而“较脆”的地壳的拉张减薄，易于形成岩浆运移通道，岩浆房中的镁铁质岩浆能够沿通道喷出形成镁铁质大火成岩省。而硅质大火成岩省的地壳通常含水量较高，难以形成深而狭长的岩浆通道将大量镁铁质岩浆运移至地表，同时，地壳大规模熔融形成的大量硅质岩浆，在上方构成了天然的屏障，进一步阻碍了下部镁铁质岩浆的喷发(Bryan, 2007; Turner and Campbell, 1986)。Huang et al. (2015)通过地震波纵波反演的方法证实了在Yellowstone的上地壳(5~10km)处存在一个流纹质岩浆房，并且在下地壳(20~50km)处还存在一个是其体积4.5倍的玄武质岩浆岩体，它提供的热量使得上部地壳能够部分熔融形成流纹质岩浆岩。这一研究为硅质大火成岩省所在区域深部存在隐伏的镁铁质大火成岩省的设想提供了证据。
此外，这些中酸性岩石具有不同程度的Ba、Eu、Sr、Ti、P的负异常(图 4b)，暗示其在岩浆演化过程中经历了不同程度的长石、钛铁氧化物、磷灰石等分离结晶作用，而大量的分离结晶作用会加大这些微量元素的负异常，使残余熔体中SiO2含量不断升高(>75%)，从而使硅质大火成岩省中的岩石显示出从Ⅰ型向A型花岗质岩石过渡的特点。
2.4 源区性质不同硅质大火成岩省的Sr-Nd同位素组成具有较大的区别(图 6)，Whitsunday的εNd(t)值最高，多数在+2~+7之间，87Sr/86Sr(t)比值在0.7040左右，其Nd模式年龄(tDM)为250~600Ma；Sierra Madre Occidental的εNd(t)值稍低，主要在-1~+4之间，87Sr/86Sr(t)比值主要集中在0.7040~0.7060；Chon Alike多数样品的εNd(t)值与Sierra Madre Occidental大致相似，87Sr/86Sr(t)比值主要集中0.7040~0.7080，tDM年龄主要为1~1.2Ga，少数样品具有小于-7的εNd(t)值和大于0.7160的87Sr/86Sr(t)比值；Malani多数样品的87Sr/86Sr(t)比值大于0.7140，εNd(t)值在-11~-7之间，个别样品具有高的εNd(t)值和小于0.704的87Sr/86Sr(t)比值；我国华南的εNd(t)值在-7~-2之间，其tDM2年龄多数大于1.4Ga。
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图 6 五个硅质大火成岩省中酸性岩浆岩(SiO2>60%)的87Sr/86Sr(t)-εNd(t)图解 Fig. 6 87Sr/86Sr(t) vs. εNd(t) diagram for intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs |
各硅质大火成岩省中酸性岩浆岩的Sr-Nd同位素差别可能反应了地壳性质的差别。Ewart et al. (1992)认为Whitsunday较高的εNd(t)值、低87Sr/86Sr(t)比值，及年轻的tDM年龄指示其可能是古生代至中生代新生地壳熔融的产物；Bryan and Ernst (2008)综合考虑Sierra Madre Occidental的εNd(t)值和岩石中继承锆石的特征，认为其形成可能与早期俯冲有关的下地壳中火成岩的重熔关系密切；Pankhurst et al. (1998)和Riley et al. (2001)的研究认为Chon Alike多数样品中等的εNd(t)值和较老的tDM年龄，反应了元古代地壳的熔融，而少数具有极低的εNd(t)值和极高的87Sr/86Sr(t)比值的样品则可能是沉积岩熔融的产物；de Wall et al. (2018)和Wang et al. (2018)认为Malani中具有低的εNd(t)值和高的87Sr/86Sr(t)比值的样品可能与其较老的形成时间(~750Ma)有关，指示了地幔上涌使得古老下地壳熔融的成岩过程，而少量具有较为原始的同位素特征的样品则可能是幔源玄武质岩浆分离结晶或壳幔岩浆混合的结果；Wang et al. (2016)的研究认为我国华南中等的εNd(t)值是岩浆底侵形成的新生地壳和古老地壳熔融后混合的结果。
如上所述，虽然同位素组成有差异，但前人对这些大火成岩省的研究都表明先前形成的地壳的年代和性质决定了硅质大火成岩省产出的中酸性岩石的地球化学特征。而几乎所有硅质大火成岩省均靠近大陆边缘，产出的岩石多含有角闪石、黑云母等含水斑晶(Bryan, 2007)，同时，在其微量元素蛛网图上具有明显的Nb、Ta、Ti的负异常(图 4b)，这些证据均指示硅质大火成岩省的中酸性岩石的源区受到了早期俯冲流体交代的影响。早期的俯冲流体交代地幔楔，伴随着岩浆底侵和地壳垂向生长，逐渐在下地壳处形成了大量富集的、含水的物质(Tamura and Tatsumi, 2002; Clemens et al., 2011; Bryan and Ferrari, 2013)，而随着玄武质岩浆底侵(或地幔柱)从地幔向地壳输送大量的热量，使得先前形成的富水的下地壳发生大规模的重熔和再循环，从而形成了构成硅质大火成岩省的巨量酸性岩浆。因此这些中酸性岩石继承了与俯冲有关的地球化学特征，在Pearce et al. (1984)提出的Nb-Y的花岗质岩石判别图解上，来自五个硅质大火成岩省的样品均展现出了一致的、由汇聚板块边界向板内环境过渡的特点(图 7)。
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图 7 五个硅质大火成岩省中酸性岩浆岩(SiO2>60%)Nb-Y构造判别图解(底图据Pearce et al., 1984) Fig. 7 Nb vs. Y diagram for tectonic discrimination for intermediate-felsic igneous rocks (SiO2>60%) from five S-LIPs (after Pearce et al., 1984) |
目前世界上主要的硅质大火成岩省几乎都在板块边缘呈带状分布，其形成被认为与俯冲作用有关(Bryan, 2007)，但需要注意的是，多数学者的研究表明，硅质大火成岩省并不是在俯冲的环境中形成的，而是在后期拉伸的板内环境中形成的(Sierra Madre Occidental; Ferrari et al., 2018; Bryan and Ferrari, 2013)，因此往往与大陆裂解在时空上关系密切。早期的俯冲一方面在下地壳处形成了大量富集、富水的物质，为大规模长英质岩浆的形成提供了物质来源；另一方面，俯冲作用带来的流体交代使得地壳含水量升高，使其固相线下降，从而使得地壳的大规模熔融成为可能。
综上所述，硅质大火成岩省的形成机制可归纳为：早期持续的俯冲交代使得地壳垂向生长，形成了富水的地壳，随着俯冲结束，构造环境由汇聚的板块边界向板内伸展环境转变，有大火成岩省规模的玄武质岩浆向上底侵至壳幔边界或侵入下地壳形成深成岩体(也可能是地幔柱上升至壳幔边界)，这一过程将巨大的热量从地幔输送至地壳，并触发了大规模的地壳熔融，形成了巨量的酸性岩浆，这些位于上部的酸性岩浆密度小，阻碍了下部玄武质岩浆的上涌，并在拉张的环境下由破火山机构喷出地表，形成了巨厚堆积的流纹质熔结凝灰岩，在地表形成了硅质大火成岩省。同时，大量未能喷发的玄武质岩浆在地壳深部形成了“隐伏的镁铁质大火成岩省”。
3 硅质大火成岩省与环境在镁铁质大火成岩省形成过程中，火山作用释放大量气溶胶，可能以两种方式对全球气候产生影响：一种是玄武质岩浆喷发时伴随着大量的二氧化硫(SO2)，在大气中形成了大量的硫酸盐(H2SO4)气溶胶，这些气溶胶吸收太阳辐射，从而导致全球降温(Self et al., 2005)；另一种是岩浆喷发伴随着大量二氧化碳(CO2)的释放，导致了温室效应和海洋的酸化(Wignall, 2001, 2005)。由镁铁质大火成岩省所引起的气候变化也被认为可能是生物大灭绝的重要诱因(Wignall, 2001)。然而，要引起全球范围内的气候变化有一个重要的前提：伴随岩浆喷发形成的气溶胶必须能够穿过对流层，进入平流层。这是因为对流层中的气溶胶很容易被大气降水所带走，无法在大气中长时间停留造成全球性的影响(Thordarson et al., 2009; Black et al., 2012)。然而，镁铁质大火成岩省熔岩喷溢(熔岩喷泉)的高度不可能达到平流层，所以虽然其具有较大的体积，但是能否影响全球气候环境造成急剧变化仍有较大争议。
近年来的研究表明，硅质大火成岩省的岩浆活动，能够对全球气候造成更大规模的影响。这是因为相比于镁铁质大火成岩省中溢流玄武岩只有 < 5km的喷发高度，只能将气溶胶喷射入对流层中(Self et al., 1997)，硅质大火成岩省的火山作用能够将SO2气溶胶和火山灰送入更高的平流层，参与全球的大气对流，更显著的引发全球气候变冷(Bryan, 2007)。此外，大规模硅质岩浆喷发所形成的火山灰能够使海洋富铁，促进浮游生物的繁殖和光合作用，将大气中的CO2气体转变为有机碳，从而导致全球降温(Cather et al., 2009)。
现代通过卫星测算的与俯冲相关的安山岩-英安岩喷发时所释放的SO2量，比通过岩石学手段计算出的这些中酸性岩浆所溶解的S含量高出了一到两个数量级，而现代板内玄武质岩浆的形成过程中却并未出现类似的情况(Westrich and Gerlach, 1992; Sharma, 2004)，这说明在硅质大火成岩省形成过程中，可能有大量的单独以气相存在的SO2在喷发前已经释放(Wallace, 2001; Bryan, 2006)，因此硅质大火成岩省对气候的影响可能被大大低估了。前人研究表明S为岩浆成因(Wallace, 2001)，但硅质岩浆仅能溶解少量的S，而富H2O-CO2-S气体的镁铁质岩浆则是SO2的重要来源，硅质大火成岩省的形成又意味着区域深部存在巨量的镁铁质岩浆(即隐伏的硅质大火成岩省)(Ernst, 2014)，因此推测硅质大火成岩省喷发前释放的大量SO2气体可能源于下方为地壳熔融提供热源的镁铁质岩浆。
4 硅质大火成岩省与矿产资源由于巨量的岩浆活动极大促进了地幔到地壳之间的物质和能量交换，以及早期的俯冲作用使得地壳富水，使得硅质大火成岩省具备形成热液矿床的条件，如在Sierra Madre Occidental约0.5×106km2区域内分布了近800个贵金属浅成低温热液矿床(Camprubí et al., 2003; Murray and Busby, 2015)，因此具有重要的经济意义。
硅质大火成岩省中的矿床以低硫化型Au-Ag浅成低温热液矿床为主，如Sierra Madre Occidental的Guanajuato、La Guitarra矿床(Camprubí et al., 2003)，Chon Alike的Cerro Vanguardia、La Josefina矿床(Schalamuk et al., 1997; Moreira and Fernández, 2015)，以及中国华南的水口山地区的Au-Ag-Pb-Zn矿床(华仁民等, 2005)。此外，也有少量的高硫化型和斑岩型Cu-Au矿床和火山型块状硫化物矿床(Staude and Barton, 2001; Zaw et al., 2003)。Bryan (2007)提出硅质大火成岩省中的热液成矿系统的形成与火山塌陷构造、破火山机构周边断层和沿地堑的伸展性断层关系密切，这些断裂和断层为热液的运移提供了通道。这些矿床成矿的时代(如La Guitarra：23~18Ma；Cerro Vanguardia：153~138Ma)通常对应各硅质大火成岩省中岩浆活动主峰期的最后阶段(表 1)，指示热液成矿作用主要发生在硅质大火成岩省形成的末期，即岩浆活动的强度在中-上地壳达到峰值的时期(Bryan, 2007)。
5 我国硅质大火成岩省展望通过上述对比研究，我们归纳总结了硅质大火成岩省的几条识别依据：(1)中酸性火山碎屑岩或熔岩覆盖面积在105km2以上，且持续时间基本在40Myr之内，并具有一个或多个峰期；(2)板块边缘有大量火山机构(破火山口)发育的地区；(3)镁铁质大火成岩省附近的地区(尤其是有相对较多长英质岩石产出的镁铁质大火成岩省)。根据这些识别依据，我国境内很可能存在不止一个硅质大火成岩省。
东南沿海地区分布有大量的晚中生代中酸性岩浆岩。王德滋和周金城(2005)在国内最早指出浙江、福建、江西一带广泛分布的白垩纪中-酸性火山岩及与之有成因联系的花岗岩，其总面积超过105km2，体积可达1.5×105km3，构成了一个长英质大火成岩省。他们进一步指出其中的火山岩具有钙碱性和高钾钙碱性系列的特点，认为其成岩物质来源可能具有壳幔混源的性质，中酸性火山岩的形成可能与基性岩浆底侵导致的地壳发生大规模部分熔融有关。张旗(2013)将中国东部燕山期岩浆岩划分为4个长英质大火成岩省，他将王德滋和周金城(2005)划分的大火成岩省范围进一步扩大到广东省，命名为东南沿海大火成岩省，认为其形成年龄为130~110Ma，面积约为3.5×105km2，并指出巨量长英质岩浆的形成可能与地幔柱直接抵达下地壳导致下地壳发生熔融有关。最近，Wang et al. (2016)将分布在浙江、福建和广东的晚中生代岩浆岩命名为华南-沿海硅质大火成岩省(South China Block-Coastal Region, SCB-CR SLIP)，其分布面积约为105km2，他们将岩浆活动划分为4个期次，年龄跨度为149~100Ma，但主要集中在128~110Ma，认为其形成与板块俯冲以及随后的俯冲板片回撤导致的弧后伸展作用有关。由此可见，多数学者认为我国东南沿海地区可能构成一个硅质大火成岩省，但是其分布范围和活动时间以及成因还远没有达成一致认识。
此外，在我国境内的中亚造山带有大量的早二叠世(~280Ma)岩浆岩产出，如准噶尔地区，有大量形成年龄为276.0~279.8Ma的流纹岩及相应的花岗岩，并显示出由Ⅰ型向A型花岗质岩石过渡的特征(Li et al., 2014)；在天山造山带，有大量形成于273~304Ma(峰值在~280Ma)的钾长花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩产出，多具有Ⅰ型花岗岩的特征(黄河等, 2011)，相应的火山岩比较少，可能与剥蚀程度有关；除了长英质岩石之外，在阿尔泰-准噶尔以及天山-北山等地区还有一些同时代的镁铁质-超镁铁质侵入岩，并且这些侵入岩常产出有铜镍硫化物矿床。同时，近年来的研究表明，在紧邻准噶尔和天山造山带的塔里木大火成岩省中，也发育有巨量的长英质岩石(~20vol.%)，分布面积可达0.48×105km2(程志国等, 2019)，主要岩性为粗面英安岩、安山岩、流纹岩、正长岩和火山碎屑岩，形成年代在280~300Ma之间(Xu et al., 2014)；因此，我们推测存在一个与塔里木大火成岩省有密切联系的硅质大火成岩省，并可能为硅质和镁铁质大火成岩省并存的形成机制提供难得的例证。当然，这只是基于前人年代学和岩石学工作提出的猜想，仍需大量的数据进行证实。
6 结论(1) 硅质大火成岩省主要由流纹质熔结凝灰岩构成，具有和镁铁质大火成岩省类似的体积和面积，其形成时间相对较长(~40Myr)，多产出在大陆边缘，可能与大陆裂解和镁铁质大火成岩省的形成有关。
(2) 硅质大火成岩省的形成可归结于：前期的俯冲交代地幔楔，伴随着地壳的垂向生长在下地壳处形成了大量富集、富水的物质，在拉张的板内环境下大量玄武质岩浆底侵，烘烤富水的下地壳使其发生大规模熔融形成巨量的中酸性岩浆。
(3) 硅质大火成岩省下方的镁铁质岩浆向上输送了大量SO2气体，并随着大规模的硅质岩浆活动形成气溶胶喷射进入平流层，同时，大量的火山灰可能使得海洋富铁，通过生物光合作用吸收大气CO2，从而导致全球气候变冷。
(4) 硅质大火成岩省中有大量低硫化型Au-Ag浅成低温热液矿床产出，具有重要的经济价值。
(5) 在我国的华南地区、中亚造山带及其南部的塔里木克拉通，可能存在硅质大火成岩省，后者可能是当今镁铁质大火成岩省和硅质大火成岩省并存的典型例证。
致谢 感谢终审主编和各位审稿人对本文提出的宝贵意见和建议，感谢本刊编辑部老师对本文的指导和细致修改，对提高本文的质量起到了重要的作用。
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