网络知识 科技 Science:岩浆水含量控制喷发前弧岩浆的存储深度

Science:岩浆水含量控制喷发前弧岩浆的存储深度

Science:岩浆水含量控制喷发前弧岩浆的存储深度Science:岩浆水含量控制喷发前弧岩浆的存储深度

火山喷发的预测经历了从经验模式到基于岩浆动力学性质的模型的转换,这些预测模型的建立强烈依赖于岩浆运移和存储的物理化学条件,包括岩浆的成分、黏度和温度等。

探明火山喷发前岩浆的存储环境对建立火山喷发预测的模型至关重要。地球物理资料显示,不同火山的岩浆存储深度存在明显的差异,然而截止目前我们并不清楚什么因素控制了这种差异。一种比较流行的观点认为,当上升岩浆的密度和围岩的密度相等时,岩浆可以稳定地存储在相应的深度,即“自然浮力”深度。但是这一理论仅仅在洋中脊的火山中得到了验证(Hooft and Detrick, 1993),其是否也适用于弧岩浆仍值得商榷。同时,已有的研究表明岩浆的存储深度会受到地壳中区域应力状态和/或岩浆通道结构的影响,岩浆存储在地壳是否流变的边界上,它不仅会受到地壳性质的约束,也会受到应变率的控制。地壳流变对于长期稳定存在的岩浆储库来说虽然是一个重要的因素,但对于全球范围内不同的弧岩浆存储深度是否是唯一的影响因素仍是一个值得思考的问题。除了外在的控制因素外,也有研究提出岩浆中水含量作为一种内在的因素控制着岩浆的存储深度。在岩浆上升的过程中,岩浆中的挥发分释气和晶体结晶会在一定程度上增加熔体的黏度,从而导致岩浆的上升得到抑制或者被迫停止,这个理论在洋中脊火山和部分岛弧火山中得到了印证,但是是否适用于全球的弧岩浆需要进一步的验证。

针对以上问题,美国国家自然历史博物馆的Daniel J. Rasmussen博士及其合作者统计了近X来发表的共62个中基性岛弧岩浆中的熔体包裹体的水含量数据,并结合地球物理的观测结果,揭示并验证了弧岩浆的水含量控制了岩浆喷发前的存储深度,相关成果于最近发表在Science上。

Rasmussen等选取了3856个熔体包裹体中的水含量数据,将其转换成水的饱和深度,并和现今地球物理的结果进行对比,发现通过岩石学方法得到的水饱和深度和通过地球物理方法得到的岩浆存储深度在误差范围内具有很好的一致性(图1)。模型模拟结果表明,这种一致性的存在可能是由岩浆上升过程中的黏度变化导致的。

Science:岩浆水含量控制喷发前弧岩浆的存储深度

图1 弧岩浆存储深度(地球物理估算结果)vs. 水的饱和深度(熔体包裹体估算结果)。自然浮力深度代表围岩密度和岩浆密度相等处的深度(Rasmussen et al., 2022)

岩浆存储深度处的水含量可能代表了源区产生时岩浆中的水含量,即产生的岩浆在通过地壳到达存储位置前没有经过明显的释气(地幔控制模式);也可能是源区产生的岩浆经过一定程度的释气后再到达存储位置的结果(地壳控制模式)(图2)(Plank et al., 2013)。区分这两种模式对于理解弧岩浆中水含量对岩浆喷发前的存储深度的影响非常重要。为了区分这两种模式,熔体包裹体中非挥发分微量元素比值被用来判断和熔体包裹体中水含量的关系。结果显示,熔体包裹体中的H2O/Ce分别与Ba/La和Nb/Ce具有很好的相关性(图3),这表明熔体包裹体形成后并没有经历明显的释气作用,即地幔控制模式。在此基础上,作者利用rhyolite-MELTS模拟了岩浆的上升过程,发现当岩浆到达水饱和深度时,挥发分出溶和结晶引起的黏度快速增加阻碍了岩浆的进一步上升,并且这一深度与岩浆的存储位置在误差范围内具有很好的一致性(图4),这表明岩浆上升过程中的黏度控制了岩浆的存储深度。

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图2 岩浆存储深度水含量的地壳控制和地幔控制模式示意图 (改自Plank et al., 2013)

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图3 阿留申中东部岛弧岩浆中熔体包裹体的H2O/Ce和非挥发分微量元素Ba/La及Nb/Ce的关系(Rasmussen et al., 2022)

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图4 岩浆存储深度和岩浆上升过程中黏度增加的关系,“knee”点为黏度增加最快的点(Rasmussen et al., 2022)

这一研究结果表明岛弧岩浆在其存储位置具有浮力,并且在喷发前会经历“黏度停滞”阶段,而含水量更多的岩浆会在更深的位置产生释气和结晶的现象,从而导致更大的岩浆存储深度。这些结果阐明了岩浆的存储环境,将有助于更准确地建立火山喷发的预测模型,同时也引发了我们进一步的思考:上述规律是否也适用于其它构造背景,如大陆俯冲带、裂谷等。探明各种地质背景下的火山喷发前的岩浆存储环境将有助于建立更全面的火山喷发预测模型。

主要参考文献

Hooft E E, Detrick R S. The role of density in the accumulation of basaltic melts at mid-ocean ridges [J]. Geophysical Research Letters, 1993, 20(6): 423-426.

Plank T, Kelley K A, Zimmer M M, et al. Why do mafic arc magmas contain ~ 4 wt% water on average? [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2013, 364: 168-179.

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美编:陈菲菲

校对:X郡

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