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科学研究

张国坤:外来晶体加入及晶体-熔体反应对火山岩成分的改造【AM,2024】
2024-03-06 阅读:3226

板内基性火山岩被认为是起源于深部地幔的岩浆、快速上升喷出至地表的产物,常被用来揭示岩石圈的深部组成、物理化学状态及岩浆动力学过程。一般而言,陆内基性火山作用会在地壳内部形成复杂的岩浆管道系统,并在其中发生多期次的演化过程。该岩浆管道系统通常由多个位于不同层位的岩浆储库组成,彼此之间发生频繁的物质和能量交换。火山喷发是上部岩浆储库高度再活化的结果,喷发的岩浆中往往汇聚了不同岩浆储库来源的晶体,因此,这导致火山岩的全岩成分很难反映液体血统线(liquid line of descent-LLD)的演化路径,从而无法准确地:(1)示踪源区组成、(2)岩浆演化过程以及(3)合理约束晶体生长的热力学条件。

针对上述问题,我校“金属同位素与壳幔物质循环”求真研究群体博士研究生张国坤在导师许继峰教授和李小伟副教授的指导下,对西秦岭新生代陆内碱性玄武岩中裹挟的辉石晶体(再循环晶/捕掳晶)开展了详细的成因矿物学研究,通过约束不同结构类型辉石晶体的来源、环带结构成因和结晶温压,重建了陆内碱性火山岩的岩浆管道系统、揭示了岩浆管道系统内部不同批次岩浆之间的联系,刻画了晶体-熔体反应的细节。论文研究取得以下新认识:

1)西秦岭新生代陆内碱性玄武岩中的辉石晶体,根据其环带结构类型,主要分为四类(图11Type-1 Cpx,具有正环带结构(核-边结构),核部具有筛状结构;2Type-2 Cpx,具有简单振荡环带结构(核--边结构),幔部具有筛状结构;3Type-3 Cpx,具有复杂振荡环带结构(内核-外核--边结构),幔部具有筛状结构;4Type-4 Cpx,无环带结构,粒度小,为寄主岩浆结晶的“正晶”。

2)通过对比不同辉石类型之间的成分差异,结合其对应的结构特征,约束了三种外来辉石的来源(图2):Type-1 Cpx的核部为结晶于先前批次高Mg岩浆中的再循环晶,边部结晶于低Mg寄主岩浆;Type-2 Cpx的核部是来自先前低Mg晶粥体的再循环晶,为晶粥体再活化解体的产物,幔部结晶于补给的高Mg岩浆,边部结晶于低Mg寄主岩浆;Type-3 Cpx的核部(内核+外核)是来自下地壳麻粒岩的捕掳晶,幔部结晶于高Mg岩浆,边部结晶于低Mg寄主岩浆。

3)利用Fe-Mg交换系数,发现外来辉石晶体(再循环晶和捕掳晶)的成分与全岩成分代表的熔体似乎显示相互平衡状态(图3),这表明大量外来晶体的加入改造了全岩的成分,使得全岩与外来辉石晶体具有成分上的“伪平衡”。所以笔者强调,仅根据Fe-Mg平衡图解判断矿物与全岩的平衡与否、进而据此计算矿物的结晶温压,很可能会得到错误的热力学结果。基于此,本文通过Armienti et al. (2013)提出的模型,基于外来辉石晶体的成分,对全岩成分沿着Cpx + Ol ± Pl的共晶线 (cotectic line)进行校正,得到与外来辉石晶体真正平衡的熔体成分,并据此计算辉石外来晶体不同部位的结晶温压。

热力学结果显示,外来辉石中高Mg和低Mg部分结晶温压分别集中于9.49-15.70 kbar (11.68 ± 0.16 kbar)3.14-9.79 kbar (8.14 ± 0.04 kbar),对应的岩浆储库的深度分别约为40.9 km30.1 km。据此重建的岩浆管道系统模型如图4

4)外来晶体与寄主熔体成分上的不平衡必然会导致二者发生反应,通过筛状结构中的筛孔矿物组合(图5),本文提出了新的晶体-熔体反应公式:熔体1 + K/流体 + 单斜辉石 (CaMgSi2O6) = 钾长石 (KAlSi3O8) + 钛铁矿 (FeTiO3) + 熔体2

上述研究表明,火山岩中外来晶体的加入和晶体-熔体反应会对全岩成分产生明显的改造,从而可能导致全岩成分与外来晶体具有成分上的“伪平衡”。笔者强调基于全岩成分的讨论,首先要衡量外来矿物加入和晶体-熔体反应对全岩成分的潜在影响。同时,流体对于矿物结构和成分的改造也是不可忽视的,尽管在某些时候,这些隐性的改造不能在全岩成分上完全体现。


图1 不同类型辉石环带结构简图



图2 不同批次岩浆活动及辉石成因图



图3 外来辉石晶体-全岩成分平衡图解



图4 西秦岭新生代陆内碱性岩浆管道系统图



图5 “筛状结构”辉石主量成分面扫描图


上述研究成果受自然科学基金重点和面上等项目资助,发表于国际矿物学领域权威期刊《American Mineralogist》上,论文信息:Zhang, G.-K.(张国坤), Li, X.-W. *(李小伟), Xu, J.-F.(许继峰), Wang, F.-Y.(汪方跃), Thomas, Bader., Cao, G.-Y.(曹光跃), Huang, F.(黄丰), Mo, X.-X.(莫宣学), Shan, W.(单伟), Li, D.-P.(李大鹏), Dong, G.-C.(董国臣),Multiple magmatic processes revealed by distinct clinopyroxene populations in the magma plumbing system: A case study from a Miocene volcano in West Qinling, Central China. American Mineralogist2024: 109 (3): 540-555.

全文链接:https://doi.org/10.2138/am-2022-8744




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