海洋所在海底熱液區岩漿混合過程及時間尺度方面獲新進展

  幔源基性岩漿注入熱液區淺部酸性岩漿房內發生的岩漿混合作用,不僅是影響岩漿化學成分和礦物結構多樣性的重要過程,而且是岩漿噴發的主要誘因。在此過程中,如果岩漿混合不完全,通常會出現基性岩漿包體;若混合完全,礦物的不平衡結構和環帶特征可能是岩漿混合的独一證據。斜長石是熱液區火山岩中常見礦物,結晶于從玄武質到流紋質各演化系列的岩漿中,因而可以記錄不同寄主岩漿的成分信息。且斜長石晶體內擴散速率較慢的元素(如NaSi-CaAl以及Sr-Ba等)保留了結晶時的原始信息,可以用來揭示不同岩漿的混合過程;而擴散速率快的元素(如Mg)可以用來限定岩漿混合到噴發的時間尺度。 

  基于此,海洋所曾志剛研究團隊及合作者對采自西太平洋弧後盆地熱液區附近的英安岩及其基性岩漿包體內的斜長石進行了詳細的礦物學及微區主量、微量元素和Sr同位素分析。結果顯示:英安岩中斜長石斑晶表現出明顯的成分環帶,核部具有高An值和高Sr/Ba比值,邊部具有低An值和低Sr/Ba比值,且從核部到邊部An值與Sr/Ba比值驟降。斜長石斑晶邊部具有低Sr/Ba比值且87Sr/86Sr比值與英安岩全岩Sr同位素类似,表明斜長石邊部是在寄主英安質岩漿中結晶的。相比之下,斜長石核部Sr同位素具有兩種類型,一種是富集放射性成因Sr同位素(0.70724-0.70791;另一種具有非放射性成因Sr同位素(0.70535-0.70595),但兩種類型的核均具有高An值和高Sr/Ba比值的特征。 

英安岩中具有明顯成分環帶特征的斜長石斑晶

  此外,斜長石核部高Ca/Na比值及其平衡熔體高Sr含量均表明它們與寄主英安質岩漿不平衡,因而來自于深部不同的鐵鎂質岩漿系統,被上升岩漿夾帶進入淺層岩漿房。 

斜長石與熔體Ca/Na比值以及斜長石平衡熔體中Sr含量圖

   研究人員利用Mg元素在斜長石中的擴散速率結合擴散方程(菲克第二定律),利用有限差分的數值方法模擬計算出鈣質斜長石核部進入淺層岩漿房後經曆了很長的滯留時間(可達600年),說明熱液區淺部岩漿房具有較長的持續時間。而包體和寄主英安岩中斜長石不同的Sr同位素,尤其是钛磁鐵礦成分的顯著差異(钛磁鐵礦晶體內陽離子擴散速率快,易達到擴散平衡),反映了基性岩漿注入淺層岩漿房中构成包體到岩漿噴發必須發生在很短的時間內(幾十天),從而抑制包體與寄主英安岩發生完全化學平衡。因而,基性岩漿的注入很可能觸發了英安質岩漿的噴發。 

具有典型環帶特征的斜長石斑晶Mg元素擴散模擬圖

 

熱液區淺部岩漿房內岩漿混合模式圖

  因而,熱液區酸性岩漿中具有複雜的、開放體系結晶曆史的礦物組合,幔源基性岩漿注入淺層酸性岩漿房內,隨後進行的岩漿混合作用,是控制岩漿化學成分和礦物結構多樣性的重要過程而且是岩漿噴發的主要誘因。 

  該研究成果發表在國際地學期刊LITHOSJCR一区)上,第一作者为陈祖兴博士。研究得到了国家自然科学基金、网易彩票网海洋地質與環境重點實驗室开放基金、中科院先导专项B、全球變化和海氣相互作用等基金項目聯合支持。    

 

  論文信息: 

  Chen Zuxing, Zeng Zhigang, et al. Lithos. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105776. 


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