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      科學研究

      田野:擴散計時學揭示長白山巖漿儲運系統結構轉變【AM,2024】
      2024-05-15 閱讀:52

      巖漿系統的深部過程可能會隨著時間演化發生巖漿儲運系統結構上的轉變。巖漿系統的儲運結構和演化歷史是一系列以不同時間速率運行的獨立巖漿事件相互連接的結果。因此,了解噴發前、同噴發和噴發后巖漿過程的具體時間尺度,例如巖漿儲庫內部晶粥體被補充巖漿重新激活的時間,從儲庫中上升的巖漿在巖漿通道內部運輸的時間,以及巖漿在地表熔巖流內部冷卻的時間,對于重建巖漿儲運系統的動態演化過程至關重要。擴散計時學已經被廣泛應用于確定火山碎屑巖樣品中晶體記錄的時間信息,然而考慮到熔巖樣品內部隨溫度降低熔體成分的改變以及晶體在巖漿溫度下生長與擴散的耦合,傳統的擴散模型過于簡單,因此在熔巖樣品中的應用仍然存在爭議。

      圍繞上述科學問題,我校地球科學與資源學院博士研究生田野在“巖漿-熱液演化與金屬成礦”求真群體侯通教授的指導下,選取長白山天池火山造盾期玄武質噴發的頭道期,白山期和老房子小山期熔巖作為具體研究對象,在傳統的巖相學、礦物學和地球化學基礎上,結合基于橄欖石Fe-Mg互擴散的自適應邊界條件動態擴散模型,針對天池火山玄武質巖漿儲運系統的演化歷史開展了綜合性的巖石學探究,取得以下新認識:

      1三期熔巖均顯示出斑狀結構和相似的斑晶礦物組合,但橄欖石的化學成分和環帶模式顯示出不同特征(圖1)。頭道單元和白山單元根據橄欖石核部成分可分為高Fo橄欖石(Fo76-80)及低Fo橄欖石(Fo72-74)兩種晶體群。高Fo橄欖石顯示正環帶或更為復雜的“肩形”環帶特征,低Fo橄欖石僅顯示正環帶特征。老房子小山單元僅有高Fo橄欖石(Fo77-80)一種晶體群,且均顯示正環帶特征。

      2)基于礦物溫度計和相平衡熱力學軟件(Rhyolite-MELTS)模擬表明頭道和白山單元高Fo橄欖石的結晶溫度在1190-1200 ℃ 左右,而老房子小山單元高Fo橄欖石的結晶溫度在1155 ℃ 左右。頭道和白山單元液相線橄欖石的最大溫壓條件為1220-1240 ℃,5-5.5 kbar;老房子小山單元液相線橄欖石的最大溫壓條件為1160-1180 ℃,3.5-4 kbar。頭道和白山單元Fo橄欖石的最大結晶溫壓條件不超過1140 ℃,4 kbar2)。

      3)基于動態擴散建模的時間約束表明(圖3),頭道和白山單元Fo橄欖石記錄了更長的時間尺度(約200-800天),對應于較低的巖漿冷卻速率(10-7-10-6 °C/s)和較慢的晶體生長速率(10-14-10-13 m/s)。這種相對高溫且緩慢冷卻的巖漿環境表明橄欖石成核于深部巖漿儲庫(~20 km)中,隨后被輸送到天池火山下的淺部巖漿儲庫中(~13 km)進一步儲存。相反老房子小山單元高Fo橄欖石,以及頭道和白山單元Fo橄欖石記錄了較短的時間尺度(<140天),對應于較快的巖漿冷卻速率(10-6-10-5 °C/s)和較快的晶體生長速率(10-13-10-12 m/s)。這種低溫且相對過冷的巖漿環境表明橄欖石記錄了巖漿上升以及地表熔巖侵位過程中的進一步冷卻。

      4)天池火山玄武質巖漿儲運系統隨時間演化經歷了地殼儲運結構的轉變(圖4)。頭道和白山單元巖漿經歷了深部和淺部巖漿儲庫的多階段滯留和上升,而老房子小山單元巖漿僅在中地殼深度巖漿儲庫內滯留,隨后直接上升到地表。

      上述研究結果表明對于板內玄武質巖漿系統來說,儲運系統可能隨時間演化發生結構轉變。此外,針對熔巖樣品的動態擴散模型可以顯著提高擴散建模的擬合度和獲取時間尺度的可信度。因此,基于天池火山的動態擴散模型可以廣泛應用于其他火山系統的熔巖樣品中。

       

       

      1  橄欖石Fo含量柱狀圖及代表性BSE圖片


       

      2  基于礦物溫度計和相平衡熱力學軟件確定的溫壓條件

       


      3  動態擴散模型約束的時間尺度、巖漿冷卻速率及晶體生長速率核密度曲線圖

       


      4  天池火山造盾期玄武質巖漿儲運系統模式圖

       

      上述成果受國家自然科學基金優秀情況科學基金41922012、國家重點研發計劃(2019YFA0708604-2)、“深時數字地球”中央高??萍碱I軍人才團隊基金(2652023001)、德國亞歷山大·洪堡獎學金(1207058)以及德國研究基金會(HO1337/47)聯合資助,并發表在國際權威期刊American Mineralogist上:Tian, Y. (田野),Hou, T.* (侯通),Wang, M. (王萌),Pan, R. H. (潘榮昊),Wang. X. D.(王旭東),Marxer, F. (2024). The transition of the magma plumbing system of Tianchi shield-forming basalts, Changbaishan Volcanic Field, NE China: Constraints from dynamic Fe-Mg diffusion modelling in olivine. American Mineralogist, DOI: https://doi.org/10.2138/am-2023-9296. [IF2022= 3.1]

      全文鏈接:https://pubs.geoscienceworld.org/msa/ammin/article-abstract/doi/10.2138/am-2023-9296/638398/The-transition-of-the-magma-plumbing-system-of?redirectedFrom=fulltext


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