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【www.463.com】岩浆房需要来自地幔的高温岩浆长期的持续补给,该发现不仅证实了CO2在南海碱性玄武岩成因中的关键作用

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研究者总结了浙江东部新昌-嵊州一带新生代玄武岩的同位素年龄,发现SiO2含量高的玄武岩(溢流玄武岩主要组成)其喷发时间与纬度存在明显的负相关,即岩浆喷发存在由南向北迁移的规律,持续时间超过6百万年(9.4Ma~3.0Ma)。在前6百万年的时间里,玄武岩的/MgO和TiO2/MgO这两个对岩浆演化非常灵敏的元素比值几乎不变,反映岩浆演化“停滞”;但是在最后30万年里,玄武岩的这两个比值快速上升,反映明显的岩浆演化。玄武岩化学成分与时间-空间的这种关联性说明,岩浆房需要来自地幔的高温岩浆长期的持续补给,否则岩浆房不可能维持这么长时间并北向迁移。玄武岩微量元素的模拟计算支持岩浆北向迁移过程中,岩浆补给的贡献长期大于矿物分离结晶的贡献。演化程度高的高硅玄武岩具有低Ce/Pb比和高Sm/Nd比的特征,指示岩浆房位于下地壳底部。对浙江玄武岩这只“麻雀”的解剖表明,幔源岩浆的长期持续补给,导致位于下地壳中的岩浆房不断生长(生长方向受区域断裂控制),并最终控制了这种小规模溢流玄武岩的时空分布特征。

我校地球科学与工程学院、内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室陈立辉教授在南海海山玄武岩成因研究方面取得重要进展,相关成果Evolution
of carbonated melt to alkali basalt in the South China
Sea最近以长论文形式发表在国际著名期刊《Nature Geoscience》上(DOI:
10.1038/NGEO2877)。该项研究工作由多方合作完成,中科院海洋研究所张国良研究员领导了该研究并为论文第一作者,陈立辉教授为论文第二作者,张国良研究员和陈立辉教授为论文共同通讯作者,美国加州大学Jackson教授和德国马普学会化学所Hofmann教授参与了该项研究。

论文信息:Ren, Z-Y., Wu, Y-D., Zhang, L., Nichols, A.R.L., Hong, L-B.,
Zhang, Y-H., Zhang, Y., Liu, J-Q., Xu, Y-G., Primary magmas and mantle
sources of Emeishan basalts constrained from major element, trace
element and Pb isotope compositions of olivine-hosted melt inclusions,
Geochimica et Cosmochimica Acta
, doi:

【www.463.com】岩浆房需要来自地幔的高温岩浆长期的持续补给,该发现不仅证实了CO2在南海碱性玄武岩成因中的关键作用。(地球科学与工程学院 科学技术处)

(地球科学与工程学院 科学技术处)

本研究成果近期发表在Geochimica et Cosmochimica
Acta
上。本研究受“中国科学院先导项目”(XDB18030601)和NSFC“面向项目”等项目资助。

该课题组对内蒙古赤峰新生代小规模溢流玄武岩的工作也表明,岩浆补给作用明显改变了玄武岩的演化趋势,相关论文”Magmatic
recharge in continental flood basalts: Insights from the Chifeng igneous
province in Inner Mongolia”发表在AGU刊物Geochemistry, Geophysics,
Geosystems
上,博士生俞恂为第一作者。

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峨眉山绝大多数玄武岩的MgO含量“8wt%,是非常演化的玄武岩。研究表明峨眉山玄武岩已发生了结晶分异作用、岩浆混合作用、同化混染作用以及成岩后又遭受低温蚀变作用,所以用全岩成分来获得原生岩浆及其源区母岩的信息是非常困难的。而橄榄石内的熔体包裹体具有全岩所无法比拟的优越性,是研究玄武质岩浆起源和演化的强有力的工具。橄榄石内的熔体包裹体不仅保存了有关原生岩浆、地幔源区组成和部分熔融作用的重要信息,还忠实地记录了结晶分异作用、岩浆混合及同化作用过程中岩浆演化的重要信息。中国科学院广州地球化学研究所研究员任钟元研究小组和合作者利用熔体包裹体手段,分析了云南大理熔体包裹体的化学成分,还首次利用自主开发的微区原位Pb同位素分析方法分析了其熔体包裹体的Pb同位素组成。他们结合峨眉山其它地区苦橄岩的熔体包裹体成分以及玄武岩-苦橄岩的全岩地球化学数据,获得了高-中-低Ti玄武岩的原生岩浆组成,揭示了源区母岩的属性,提出了新的岩浆形成模式。研究结果表明:尽管大理苦橄岩在成分上属于中钛范围,但发现大理熔体包裹体的成分却跨越了高-中-低Ti峨眉山玄武岩的范围,它们代表了多种未混合或少量混合的熔体,这些熔体随后在深部岩浆房或通道中混合,最终形成大理苦橄岩;根据熔体包裹体成分获得的峨眉山玄武岩的原生岩浆为MgO含量14~23wt%的苦橄质岩浆,其是在较高温条件下地幔柱物质部分熔融产生的;在部分熔融过程中,Al、Mn、Ca、Yb和Lu等元素表现出相容性,Ti、Rb、Sr、Zr和Nb等元素表现出不相容性的地球化学行为说明源区母岩是较橄榄岩相对更易熔的辉石岩,与以往人们普遍认为的橄榄岩源区不同;峨眉山玄武岩源区的辉石岩是由再循环的古老洋壳物质和下地幔橄榄岩在地球深部混合-反应后形成的二次辉石岩;峨眉山高-,中-,低Ti原生岩浆在成分上的差异反映了地幔柱熔融柱内不同深度发生部分熔融程度的差异。

大火成岩省和单成因火山是大陆内部火山作用的两种端元表现形式。介于这两者之间的玄武岩质火山活动一直没有明确的火山学定义。我院博士生俞恂在导师陈立辉教授指导下,在总结全球大陆内部新生代火山作用的基础上,定义了一种新类型的火山——小规模溢流玄武岩。并通过对一个典型案例——浙江东部的新生代玄武岩的地球化学研究,提出岩浆持续补给导致的岩浆房生长是小规模溢流玄武岩的直接成因。相关论文”Growing
magma chambers control the distribution of small-scale flood basalts”
近期发表在Scientific Reports

火山角砾中发育大量的出溶碳酸盐小球说明岩浆中富含碳酸盐

图1.
峨眉山橄榄石中的熔体包裹体的主量元素组成。尽管大理苦橄岩在成分上属于中钛范围,但大理熔体包裹体的成分却跨越了高-中-低Ti峨眉山玄武岩的范围。

我国南海海盆中分布了大量海山。2014年由我国科学家主导的国际大洋发现计划第349航次,在南海残留脊上的一座海山附近进行了钻探考察,获得了一组珍贵的由海底火山喷发形成的火山碎屑样品。研究小组通过对碎屑岩中的火山角砾样品进行系统的显微观察、全岩地球化学分析和矿物原位的地球化学分析,不仅发现碳酸盐化硅酸盐熔体存在的明确证据,而且发现了碳酸盐化硅酸盐熔体和碱性玄武岩在地球化学上的连续演化关系,其演化规律可以用碳酸盐化硅酸盐熔体与岩石圈地幔橄榄岩相互作用及磷灰石的析出来解释。因此,该发现不仅证实了CO2在南海碱性玄武岩成因中的关键作用,而且获得了岩浆演化的关键细节信息,将推动深部碳循环研究和玄武岩成因研究的进一步结合。

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海山是海底火山作用的产物,全球大部分海山主要由碱性玄武岩(一种相对贫硅、富钠和钾的硅酸盐岩石)组成。因此,碱性玄武岩的成因是理解海底火山作用的关键。长期以来,碱性玄武岩的成因一直存在广泛的争议。近年来,实验岩石学家发现如果在地幔中加入少量的CO2,通过较低程度的部分熔融,就可以生成碱性玄武岩熔体,更低程度的熔融可以生成碳酸盐化的硅酸盐熔体甚至碳酸盐熔体。长期以来,由于缺乏天然样品的支持,这些高温高压实验的地质意义尚需检验。

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图2. 峨眉山橄榄石的Fo与Ca, Ni, Mn, Fe/Mn关系图

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大约260Ma年前喷发形成的峨眉山玄武岩作为大陆溢流玄武岩,是被国际学术界认可的大火成岩省。研究峨眉山大火成岩省的成因及深部动力学机制对发展地球深部动力学机制、矿床学理论及实际找矿、揭示岩浆喷发对环境变化和生物变迁的影响都有着重要意义。在过去的几十年里,国内外研究者对峨眉山大火成岩省进行了大量的有关岩石学、地球化学、古生物及古地理、地球物理、地质年代学以及矿床学方面的研究,取得了丰硕的成果。但有关峨眉山玄武岩的原生岩浆组成,源区母岩的属性及动力学机制等方面的认识仍存在诸多分歧,这些科学问题亟待进行更深入地研究。

图3. 峨眉山熔体包裹体的Pb同位素组成

大火成岩省指相对集中的一段地质时期内形成的连续的、体积庞大的由镁铁质火山岩及伴生的侵入岩所构成的岩浆建造,包括大规模喷发的溢流玄武岩和岩浆供体产生大型放射状岩墙群。大火成岩省是地球上最大的岩浆热事件的产物。大多数大火成岩省主要由相对演化的拉斑玄武岩所组成,岩石结构为无斑隐晶质或只含有少量斑晶。然而实验岩石学以及地球化学质量平衡计算表明,大火成岩省的玄武岩是饱和橄榄石、斜长石和辉石等矿物的。那么大陆溢流玄武岩原生岩浆是什么,在何处发生了结晶分异作用,什么样的源区才能够供应这么大量的岩浆?这些科学问题到目前尚不清楚,仍是一个有争议的话题。

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