科学研究

潘荣昊:矿物显微结构揭示大同拉斑玄武岩陆壳内复杂岩浆演化过程【JP,2022】
2022-09-19 阅读:1961

众所周知,幔源岩浆在从源区上升至地表喷发的过程中通常会经历一系列演化过程,如分离结晶、流体出溶、岩浆混合、围岩混染和晶粥活化等。诸如此类的演化过程一般均会导致其携带的“幔源”地球化学特征被改造,这一点在陆内环境中尤为明显。因此,查明幔源岩浆在地壳(包括陆壳和洋壳)中的演化过程,即在岩浆储运系统(magma plumbing system)中存储、结晶、混合和混染等的位置和方式对于我们理解岩浆岩成分和岩相的多样性以及陆壳的深部结构和物质组成至关重要。

前人研究表明,玄武质岩浆大多以晶粥体(crystal mush)的形式存储在地壳深部(例如Marsh, 1981; Holness et al., 2007; Heise et al., 2007; Cooper & Kent, 2014; Jay et al., 2014)。即使是在地壳相对较薄的地区,包括洋中脊、岛弧和洋岛玄武岩的研究也普遍显示,它们在洋壳内普遍存在多级晶粥系统。当幔源岩浆从深部上升、注入浅部(高位)晶粥时,便会使浅部岩浆房中较早就位和冷却中的岩浆,即晶粥体发生解离(disaggregation),从而产生晶粥体碎块。当岩浆携带晶粥体碎块喷发出地表时,一般会形成富斑晶(>30 vol.%)的玄武岩,晶粥体碎块也常以聚斑晶(glomerocryst)的形式产出,当晶粥体碎块比较大时,也可以以同源包体的形式产出。晶粥体碎块(聚斑晶或同源包体)及其矿物结构携带着大量来自深部的信息。与洋壳的结构和物质组成可以通过蛇绿岩套等完整剖面进行直接观察和研究不同,对于相对缺乏完整剖面的大陆地壳,尤其是新生陆壳深部的结构和物质组成我们还缺少系统的认识。例如,虽然下地壳整体成分为镁铁质的,但是变质地块和下地壳包体却通常显示出较宽的成分范围。综上所述,我们对于陆壳深部的结构和物质组成,以及其会如何影响穿过地壳的岩浆演化过程还缺乏系统的认识。

为了探究上述科学问题,我校“岩浆-热液演化与金属成矿”求真群体潘荣昊博士在导师侯通教授的指导下,选取华北克拉通山西大同火山群位置相近、喷发时代相同(0.23 Ma)的秋林、龙堡和大峪口三座拉斑玄武质火山为研究对象,开展了详细的岩相学、全岩地球化学及原位EMPALA-ICP-MS研究。取得以下新认识:

1)三座火山喷发的拉斑玄武质熔岩全岩主微量成分非常相似,但岩相学特征差别很大(图1)。它们都呈斑状结构。秋林玄武岩的晶体总量<10%,包括斜方辉石、斜长石和橄榄石斑晶(图1a)以及它们的聚斑晶(稀少),基质为单斜辉石、斜方辉石、斜长石和铁钛氧化物;龙堡和大峪口玄武岩样品结构相似,晶体总量明显增多,可达50%,包括辉石、斜长石和橄榄石斑晶以及它们的聚斑晶,其中辉石常常发育不平衡的核边结构,核部为它形的斜方辉石,被单斜辉石反应边环绕而不与基质接触(图1b),基质为单斜辉石、斜长石、橄榄石和铁钛氧化物。

2)三座火山样品斜方辉石的核部成分相似,且都有较低的Mg#值(75-85%),推测为岩浆早期结晶的循环晶(antecryst)。根据矿物温压计计算结果(图2)及COMAGMAT软件模拟结果,斜方辉石溶解产生不平衡结构是由温度(降低>100 °C)和压力(降低>~3 kbar)产生巨大变化导致的。另外,斜方辉石在产自大洋地壳(大多厚度<10 km)的拉斑玄武岩中很少见,甚至在产自一些加厚洋壳,如冰岛(平均29 km)和Shatsky Rise<30 km)的拉斑玄武岩中也很少见;而在产自地壳厚度为35-36 km的日本本州北部岛弧的拉斑玄武岩中可见斜方辉石斑晶,且根据岩相观察被认为结晶早于单斜辉石。大同地壳厚度约为40 km,有利于斜方辉石在深部结晶,随后在岩浆减压上升的过程中溶解。这也解释了为什么很多拉斑玄武岩,尤其是大洋环境下的拉斑玄武岩观察不到硅饱和的指示矿物——斜方辉石斑晶的原因。

3)基于矿物温压计估算结果(图2),三座火山共用同一个深部岩浆池(地壳深度~23 km),该岩浆池中部温度较高,是富熔体区,边部温度较低,矿物大量结晶、堆积形成晶粥。秋林岩浆上升自深部岩浆池的富熔体区,喷发形成斑晶、聚斑晶稀少的拉斑玄武岩;龙堡和大峪口岩浆上升自深部岩浆池的边部晶粥,又经过浅部两个晶粥(~13 km10 km),岩浆上升时可能在岩浆储运系统的不同层位收集了具有不同演化历史的晶粥碎片,喷发形成斑晶、聚斑晶含量极高的拉斑玄武岩(图3)。熔岩中高比例较原始矿物的含量可能是使这两座火山熔岩全岩成分看起来并没有演化太多的原因。

该成果得出了玄武质晶粥体及其固结产物是陆壳,尤其是中下陆壳的重要组成部分之一,而且地壳厚度会明显影响拉斑玄武岩中斜方辉石发育,岩浆上升路径会对影响岩浆岩结构的新认识,同时也表明我们对于岩石地球化学数据的正确解释离不开岩浆岩的岩相学的细致观察。


左a图 秋林火山样品中opx斑晶显微照片;右b图大峪口火山样品显微照片

图1 秋林和大峪口玄武岩显微结构对比




图2 三座火山辉石矿物温压计估算结果及核密度分析




图3 秋林、龙堡和大峪口火山岩浆储运系统


上述成果近期发表在国际地学权威期刊Journal of Petrology上:Pan, R. H.(潘荣昊), Hou, T.*(侯通), Wang, X. D.(王旭东), 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.

全文链接:https://academic.oup.com/petrology/article/63/5/egac034/6563797


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