科學研究

潘榮昊:礦物顯微結構揭示大同拉斑玄武巖陸殼內復雜巖漿演化過程【JP,2022】
2022-09-19 閱讀:11390

眾所周知,幔源巖漿在從源區上升至地表噴發的過程中通常會經歷一系列演化過程,如分離結晶、流體出溶、巖漿混合、圍巖混染和晶粥活化等。諸如此類的演化過程一般均會導致其攜帶的“幔源”地球化學特征被改造,這一點在陸內環境中尤為明顯。因此,查明幔源巖漿在地殼(包括陸殼和洋殼)中的演化過程,即在巖漿儲運系統(magma plumbing system)中存儲、結晶、混合和混染等的位置和方式對于我們理解巖漿巖成分和巖相的多樣性以及陸殼的深部結構和物質組成至關重要。

前人研究表明,玄武質巖漿大多以晶粥體(crystal mush)的形式存儲在地殼深部(例如Marsh, 1981; Holness et al., 2007; Heise et al., 2007; Cooper & Kent, 2014; Jay et al., 2014)。即使是在地殼相對較薄的地區,包括洋中脊、島弧和洋島玄武巖的研究也普遍顯示,它們在洋殼內普遍存在多級晶粥系統。當幔源巖漿從深部上升、注入淺部(高位)晶粥時,便會使淺部巖漿房中較早就位和冷卻中的巖漿,即晶粥體發生解離(disaggregation),從而產生晶粥體碎塊。當巖漿攜帶晶粥體碎塊噴發出地表時,一般會形成富斑晶(>30 vol.%)的玄武巖,晶粥體碎塊也常以聚斑晶(glomerocryst)的形式產出,當晶粥體碎塊比較大時,也可以以同源包體的形式產出。晶粥體碎塊(聚斑晶或同源包體)及其礦物結構攜帶著大量來自深部的信息。與洋殼的結構和物質組成可以通過蛇綠巖套等完整剖面進行直接觀察和研究不同,對于相對缺乏完整剖面的大陸地殼,尤其是新生陸殼深部的結構和物質組成我們還缺少系統的認識。例如,雖然下地殼整體成分為鎂鐵質的,但是變質地塊和下地殼包體卻通常顯示出較寬的成分范圍。綜上所述,我們對于陸殼深部的結構和物質組成,以及其會如何影響穿過地殼的巖漿演化過程還缺乏系統的認識。

為了探究上述科學問題,我?!皫r漿-熱液演化與金屬成礦”求真群體潘榮昊博士在導師侯通教授的指導下,選取華北克拉通山西大同火山群位置相近、噴發時代相同(0.23 Ma)的秋林、龍堡和大峪口三座拉斑玄武質火山為研究對象,開展了詳細的巖相學、全巖地球化學及原位EMPALA-ICP-MS研究。取得以下新認識:

1)三座火山噴發的拉斑玄武質熔巖全巖主微量成分非常相似,但巖相學特征差別很大(圖1)。它們都呈斑狀結構。秋林玄武巖的晶體總量<10%,包括斜方輝石、斜長石和橄欖石斑晶(圖1a)以及它們的聚斑晶(稀少),基質為單斜輝石、斜方輝石、斜長石和鐵鈦氧化物;龍堡和大峪口玄武巖樣品結構相似,晶體總量明顯增多,可達50%,包括輝石、斜長石和橄欖石斑晶以及它們的聚斑晶,其中輝石常常發育不平衡的核邊結構,核部為它形的斜方輝石,被單斜輝石反應邊環繞而不與基質接觸(圖1b),基質為單斜輝石、斜長石、橄欖石和鐵鈦氧化物。

2)三座火山樣品斜方輝石的核部成分相似,且都有較低的Mg#值(75-85%),推測為巖漿早期結晶的循環晶(antecryst)。根據礦物溫壓計計算結果(圖2)及COMAGMAT軟件模擬結果,斜方輝石溶解產生不平衡結構是由溫度(降低>100 °C)和壓力(降低>~3 kbar)產生巨大變化導致的。另外,斜方輝石在產自大洋地殼(大多厚度<10 km)的拉斑玄武巖中很少見,甚至在產自一些加厚洋殼,如冰島(平均29 km)和Shatsky Rise<30 km)的拉斑玄武巖中也很少見;而在產自地殼厚度為35-36 km的日本本州北部島弧的拉斑玄武巖中可見斜方輝石斑晶,且根據巖相觀察被認為結晶早于單斜輝石。大同地殼厚度約為40 km,有利于斜方輝石在深部結晶,隨后在巖漿減壓上升的過程中溶解。這也解釋了為什么很多拉斑玄武巖,尤其是大洋環境下的拉斑玄武巖觀察不到硅飽和的指示礦物——斜方輝石斑晶的原因。

3)基于礦物溫壓計估算結果(圖2),三座火山共用同一個深部巖漿池(地殼深度~23 km),該巖漿池中部溫度較高,是富熔體區,邊部溫度較低,礦物大量結晶、堆積形成晶粥。秋林巖漿上升自深部巖漿池的富熔體區,噴發形成斑晶、聚斑晶稀少的拉斑玄武巖;龍堡和大峪口巖漿上升自深部巖漿池的邊部晶粥,又經過淺部兩個晶粥(~13 km10 km),巖漿上升時可能在巖漿儲運系統的不同層位收集了具有不同演化歷史的晶粥碎片,噴發形成斑晶、聚斑晶含量極高的拉斑玄武巖(圖3)。熔巖中高比例較原始礦物的含量可能是使這兩座火山熔巖全巖成分看起來并沒有演化太多的原因。

該成果得出了玄武質晶粥體及其固結產物是陸殼,尤其是中下陸殼的重要組成部分之一,而且地殼厚度會明顯影響拉斑玄武巖中斜方輝石發育,巖漿上升路徑會對影響巖漿巖結構的新認識,同時也表明我們對于巖石地球化學數據的正確解釋離不開巖漿巖的巖相學的細致觀察。


左a圖 秋林火山樣品中opx斑晶顯微照片;右b圖大峪口火山樣品顯微照片

圖1 秋林和大峪口玄武巖顯微結構對比




圖2 三座火山輝石礦物溫壓計估算結果及核密度分析




圖3 秋林、龍堡和大峪口火山巖漿儲運系統


上述成果近期發表在國際地學權威期刊Journal of Petrology上:Pan, R. H.(潘榮昊), Hou, T.*(侯通), Wang, X. D.(王旭東), Encarnación, J. & Botcharnikov, R. (2022). Multiple magma storage regions and open system processes revealed by chemistry and textures of the Datong tholeiitic lavas, North China Craton. Journal of Petrology, 63(5): egac034.

全文鏈接:https://academic.oup.com/petrology/article/63/5/egac034/6563797


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