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巖漿房中“晶粥”對于玄武質巖漿的改造研究獲進展

2020-01-02 廣州地球化學研究所
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  經典的火成巖理論認為巖漿房主要由液態的巖漿組成,這樣的模型被用來解釋大洋洋殼及大量深成巖體的形成。然而,地震學研究并不支持地殼中存在巨量液態巖漿,而物理模型也顯示富含巖漿的巖漿房非常難在地殼中形成以及保存。最新研究認為巖漿房多由結晶礦物組成,而液態的巖漿則分布在礦物顆粒間隙,或者以少量由巖漿組成的透鏡體分布其中,被形象地稱為“晶粥”(圖1)。因此,巖漿在晶粥中運移時是否與礦物發生反應,其反應機制及其如何影響巖漿和礦物的組成,這些問題對于研究玄武巖的形成和演化至關重要,然而由于目前缺乏實驗巖石學的制約,因此相關過程均不清楚。

  中國科學院廣州地球化學研究所楊陽及合作者首次針對巖漿房中玄武質巖漿與晶粥的反應展開實驗巖石學研究。實驗采用干體系下玄武巖漿最初結晶的礦物(橄欖石和斜長石)作為晶粥組成,利用不同Mg#的玄武巖與其反應。實驗過程中,玄武巖漿進入到橄欖石和長石組成的晶粥中,橄欖石和斜長石被熔體溶解,并在晶粥中形成新礦物:高Mg#單斜輝石(圖2)。反應作用機制為溶解-再沉淀過程dissolution-reprecipitation),反應公式如下:

Melt1 + Ol1 + Pl1 = Melt2 + Ol2 + Pl2+ Cpx

  該實驗結果可以應用到大洋和大陸不同構造環境下玄武巖漿的形成和演化過程。

  1)反應后巖漿的MgOAl2O3含量升高,而TiO2Na2O的含量降低,結合富Al洋脊玄武巖(MORB)的相關研究(如Yang et al., 2017)提出全球富Al MORB的成因為MORB巖漿與晶粥的反應。此外巖漿在巖漿房中的化學變化不能用簡單的分離結晶過程進行校正,這對于研究人員通過研究巖漿組成反演巖漿結晶歷史和結晶壓力,以及地幔源區組成產生極大的挑戰。

  2)與巖漿反應后的堆晶礦物組成也會發生顯著變化,反應產物結晶出具高Mg#、高TiO2、高Na2O的單斜輝石,橄欖石Fo與Ni的相關關系也會發生系統變化,因此研究人員提出這些化學組成特征可以用來作為識別自然界中巖漿-晶粥相互作用的標志。同時,高Mg#單斜輝石可以由巖漿-晶粥相互作用形成,因此利用高Mg#單斜輝石的組成來反演巖漿組成需要謹慎。

  3) 通過與大洋、大陸不同構造環境下的堆晶巖組成對比研究發現,洋脊下洋殼輝長巖、蛇綠巖以及攀枝花層狀侵入體中均表現出巖漿-晶粥相互作用對于堆晶巖組成的顯著影響,因此提出巖漿房過程對于玄武質巖漿的改造在不同構造背景下普遍存在。

  研究成果發表于Geochemistry, Geophysics, Geosystems。

  該項研究受到國家海洋局全球變化與海氣相互作用專項(GASI-GEOGE-02)、國家自然科學基金(41773025)、中科院戰略先導BXDB18000000)以及國家留學基金委的資助。

  論文鏈接

1 巖漿房晶粥模型,引自Cashman et al., 2017.

2 實驗設置及實驗產物。

3 實驗產物(橙色三角圖標)及不同構造環境下堆晶巖中單斜輝石組成。虛線代表正常分離結晶過程形成的單斜輝石的組成。

打印 責任編輯:葉瑞優
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