弧岩浆铁（Fe）亏损演化与大陆地壳生长和斑岩矿床形成密切相关，是俯冲带研究的热点问题之一。已有研究显示富铁矿物（如石榴石、角闪石和磁铁矿）分离结晶是导致弧岩浆铁亏损演化的主要机制，但究竟是哪一种富铁矿物相主导了这一过程，却长期存在争议。争议的根源在于：目前缺乏清晰的地球化学指标来揭示不同富铁矿物相在弧岩浆铁亏损演化中的具体作用。铁本身在各类镁铁质矿物中均表现为相容元素，且其价态难以用常规方法测定，导致人们难以准确约束Fe的分配行为。因此，亟须开发新的示踪指标来破解这一争议。
在弧岩浆演化过程中，当MgO高于约5 ± 1 wt.%时，熔体锌-锰-铁(Zn-Mn-Fe)含量基本保持不变或略有升高；一旦MgO降至该阈值以下，熔体Zn-Mn-Fe含量便开始同步下降（图1），这暗示三者在弧岩浆演化过程中具有相似的地球化学行为。此外，Zn与Mn在不同矿物相（尤其是富铁矿物相）中的分配行为存在显著差异。上述特征表明，矿物-熔体间Zn-Mn的分配行为具有巨大潜力，可用于示踪不同富铁矿物相在弧岩浆铁亏损演化中的作用。然而，目前仍缺乏针对弧岩浆演化条件的系统性Zn-Mn分配实验研究，难以厘定各物理化学因素对矿物-熔体间Zn-Mn分配行为的影响。
针对上述问题，百合漫画
许文良教授引领的“地球深部动力学”创新团队的孙众星副教授、熊小林教授和魏春霞博士后，联合中国科学院广州地球化学研究所刘星成研究员、高名迪副研究员、李立工程师和Hugh St.C. O‘Neill教授以及中山大学陈伟副教授、云南开放大学阮梦飞副教授和南京信息工程大学黎婷，在0.5-3.5 GPa、850-1400 °C以及FMQ-2至FMQ+8.2的氧逸度条件下实验测定了矿物-熔体间Zn-Mn分配行为，并结合弧岩浆Zn-Mn-Fe变化，取得主要如下认识：
图1弧岩浆演化过程中 Fe-Si-Zn-Mn 变化趋势
（1）Zn-Mn在矿物与熔体间的分配系数主要受熔体成分控制：矿物-熔体间Zn和Mn分配系数的自然对数与熔体MgO含量自然对数呈现良好负相关关系(图2 & 3)，暗示熔体成分可能对矿物-熔体间Zn-Mn分配有较强控制作用。
图2 矿物-熔体间Zn分配系数随熔体MgO含量变化
图3 矿物-熔体间Mn分配系数随熔体MgO含量变化
(2) 磁铁矿分离结晶导致弧岩浆Zn-Fe同步亏损：在弧岩浆演化条件下，仅橄榄石、斜方辉石和磁铁矿Zn分配系数可大于1.橄榄石和斜方辉石Zn(Fe亦如此)分配系数仅稍大于1(1.2-1.5)，且在弧铁亏损演化过程中分离量较小。与之对比，磁铁矿Zn分配系数较大且极其富铁。因此，较大量的磁铁矿分离结晶(5-10%)才可以解释弧岩浆演化过程中Zn-Fe同步亏损。
(3) 部分陆弧岩浆Mn-Fe同步亏损暗示石榴石分离结晶：利用获得的矿物-熔体Mn分配系数，结合近分离结晶模型，本研究模拟了不同矿物及矿物组合分离结晶对岩浆MnO-MgO演化趋势的影响(图4)。结果显示，仅石榴石和/或磁铁矿分离结晶可引起岩浆MnO含量的快速下降。考虑到磁铁矿含量限制(≤10 %)，结合弧岩浆MnO-MgO演化趋势发现仅在北安第斯、中安第斯、墨西哥和喀斯喀特四个陆弧晚期演化阶段(MgO ≤5 ± 1 wt%)需要较多石榴石(20-30%)分离结晶来解释Mn-Fe同步亏损。
图4 不同单矿物及矿物组合分离结晶对熔体MnO-MgO演化趋势的影响
(4) 将Zn-Mn的示踪结果相结合，可清晰呈现弧岩浆铁亏损的完整图景：在演化早期（MgO > ~ 5 wt.%），橄榄石、辉石和斜长石为主要分离结晶相，Fe、Zn和Mn含量基本保持恒定或缓慢变化，铁亏损尚未启动；当MgO降至约5 wt.%时，磁铁矿达到饱和并开始大量结晶，Zn和V同步快速下降，标志着岩浆演化晚期铁亏损的开始，此时弧岩浆氧逸度约为FMQ+2。在较厚陆壳弧岩浆演化晚期，石榴石进入分离结晶矿物组合，Mn开始快速亏损，同时熔体中Fe含量进一步降低。这些结果表明，弧岩浆的铁亏损过程并非由单一矿物主导，而是磁铁矿和石榴石等多种矿物共同分离结晶的结果。不同弧区的地壳厚度差异直接决定了两个过程的叠加程度，最终塑造了全球弧岩浆多样性的铁亏损演化路径。
该研究成果发表于国际学术期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》（//doi.org/10.1016/j.gca.2025.08.034）和《Journal of Petrology》。该研究主要由中国国家重点研发计划（2024YFF0807400）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0840200）、国家自然科学基金（42303029、42573073和42250710679）共同资助。
Zhongxing Sun, Xiaolin Xiong, Hugh St.C. O’Neill, Li Li, Mingdi Gao, Wei Chen, Xingcheng Liu (2025) Zinc partitioning between minerals and melts: Implications for the origins of the iron-depletion trend in convergent-margin magmatism. Geochimica et Cosmochimica Acta, 408: 212–232
Zhongxing Sun, Ting Li, Mengfei Ruan, Mingdi Gao, Chunxia Wei, Li Li, Xingcheng Liu, Xiaolin Xiong (2026) Manganese partitioning between minerals and melts: Implications for tracing garnet fractionation during differentiation of continental arc magmas. Journal of Petrology.
