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【前沿报道】Nature:熔体反应流揭示岩浆在地壳中的化学分异、冷储存和再活化机制
2018-12-25 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  岩浆在大陆地壳中的储存与化学分异是火成岩与火山学研究的重要问题。一个多世纪以来,“高熔体比例岩浆房”是支撑地壳岩浆作用研究的主体模型,模型认为,在地壳不同深度上,岩浆储库的规模随着深部岩墙或岩脉的侵入而逐渐增加,要求必须存在高熔体比例的岩浆房才能喷发出低结晶程度的岩浆(Cashman et al., 2017)。然而,地球物理观测结果表明,即使是活火山的岩浆房,其熔体比例也很低;晶体化学研究进一步证实,岩浆的长期储存过程发生在低温甚至亚固相线温度条件下。这些发现表明,高熔体比例的岩浆储存状态可能只是一个短暂的过程。但是,地质年代学证据显示地壳岩浆储库的存在时间可能很长,跨度从数十万年到数百万年不等。现有的岩浆储存与分异模型很难解释上述相互矛盾的观测结果。 

  针对这一问题,伦敦帝国理工学院与布里斯托大学的学者近期在Nature上,他们利用数值模拟方法,研究了中基性岩浆反复侵入至中-下地壳时岩浆的储存与化学分异过程,同时模拟了以传导和对流方式进行的热量传递,和以密度较轻的熔体反应流(reactive melt flow)方式进行的物质传递。尽管该模型大大简化了自然系统中复杂的相演变行为,但可以有效地捕捉岩浆成分对熔融的重要影响及其与熔体比例、渗透率等参数之间复杂的非线性关系。 

  模拟结果显示,每一次岩浆侵入后,熔体比例会迅速下降为零,因此不存在持续的岩浆储库。尽管如此,侵入体在凝固之前已经发生了化学分异,富含不相容元素的演化熔体与难熔亏损的晶体分别聚集在侵入体的顶部和底部。侵入体的快速结晶特征使其滞留在侵位位置,但岩浆演化引起的成分差异会导致后期岩浆侵位深度逐渐增加,这是岩浆储库的“孵化阶段”。 

  当岩浆连续侵入导致熔体比例大于零时,“孵化期”结束,逐步形成岩浆储库。这个阶段熔体是连续存在的,但除了每次岩浆侵入后的一小段时间外,熔体的比例仍然很低。此时的岩浆储库由“晶粥体”(mush)构成,而不是具有高熔体比例的岩浆房。新的侵入事件发生后,低密度熔体会穿过“晶粥体”并最终聚集在储库顶部(图1)。低密度熔体在上升过程中与“晶粥体”发生反应,一方面会使熔体成分发生演化,另一方面会逐步减弱或消除早期侵入事件中岩浆演化引起的储库成分差异,因此后期岩浆的侵位深度也将随着岩浆向上运移而减小。这是岩浆储库的“生长阶段”。 

1 低密度熔体反应流模式揭示中-下地壳岩浆储库结构成因

  当熔体在围岩固相等温线之下集聚并形成高熔体比例(一般大于0.7)储层时,“生长阶段”结束。该熔体富集层充满了经过化学分异的长英质岩浆,厚度可达数百米,而且这些低密度岩浆很容易脱离这一储层,从而形成较浅的侵入体或者直接喷出地表(图1)。由于存在时间很短暂且厚度很薄,地球物理探测很难对这一储层进行成像。一旦岩浆脱离该储层,一个新的高熔体比例储层随后会以同样的机制形成,这是岩浆储库的“活跃阶段”(Cooper and Kent, 2014)。这一阶段中,高熔体比例储层形成于温度较低的岩浆储库顶部,而不是温度最高的区域。这是对熔体反应流引起岩浆成分变化的响应,而非简单地受温度控制。同时,这一储层的晶体含量大约为10%(图2a),这些晶体在岩浆形成之前就已经存在,因为它们很可能来自岩浆储库顶部早期形成的侵入体。  

 

2 岩浆的冷储存和快速再活化机制。a. 三个不同时间熔体比例与深度关系的快照;b. 18.2km处温度及熔体比例与时间的关系;c. 20 km处温度及熔体比例与时间的关系

  新的侵入事件结束后,熔体反应流在温度高于围岩固相线的区域继续进行,但岩浆储库总体处于冷却的状态,这一阶段被称为“渐衰阶段”,直至“晶粥体”完全凝固。 

  模拟结果表明:当温度超过围岩固相线后,上升的熔体反应流会在几百年之内形成高熔体比例储层,并在其中混入了来自早期侵入体的相对古老的晶体(该模型条件下给出的结果为11.4 Ma)。这些外来晶体与寄主岩浆的年龄差代表早期岩浆侵位事件与晚期熔体快速聚集(以及后续喷发)之间的时间差(图2b),解释了一些年轻长英质岩浆携带古老外来晶体的地质现象(Rubin et al., 2017),反映了岩浆在地壳中的冷储存和快速活化机制(图2)。此外,熔体反应流模型揭示的岩浆储库成分差异性还有助于理解 “双峰式”火山的岩浆成因,即,侵位后短时间内存在的镁铁质岩浆与高熔体比例储层中的长英质岩浆都能够喷发,而不是中性岩浆。同时,该模型给出了已固结储库的岩浆不相容元素垂向分布模式,底部记录了“孵化期”多次侵入岩浆分异事件导致的不相容元素含量突变特征;中上部,元素含量整体平坦,但比初始值亏损,代表了熔体的抽取过程;而顶部不相容元素则相对富集,代表了“生长期”和“活跃期”熔体积累的结果,这与实际剖面观测的情况基本一致(Voshage et al., 1990)。 

  该文章认为,控制大陆地壳中岩浆储存、积累及化学分异的主要机制是低熔体比例岩浆储库中的熔体反应流,而非传统的高熔体比例状态下的结晶分异作用。这一认识为活火山监测、壳内岩浆房的形成以及双峰式岩浆系列成因提供了新的研究思路。 

    

  相关参考文献

  1. Cashman K V, Sparks R S J, Blundy J D. Vertically extensive and unstable magmatic systems: a unified view of igneous processes[J]. Science, 2017, 355(6331): eaag3055.
  2. Cooper K M, Kent A J R. Rapid remobilization of magmatic crystals kept in cold storage[J]. Nature, 2014, 506(7489): 480-483.
  3. Jackson M D, Blundy J, Sparks R S J. Chemical differentiation, cold storage and remobilization of magma in the Earth’s crust[J]. Nature, 2018, 564: 405-409.
  4. Rubin A E, Cooper K M, Till C B, et al. Rapid cooling and cold storage in a silicic magma reservoir recorded in individual crystals[J]. Science, 2017, 356(6343): 1154-1156.
  5. Voshage H, Hofmann A W, Mazzucchelli M, et al. Isotopic evidence from the Ivrea Zone for a hybrid lower crust formed by magmatic underplating[J]. Nature, 1990, 347(6295): 731-736.

    

    (撰稿:赵文斌,张茂亮/新生代室)

 
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