科学研究

田野:扩散计时学揭示长白山岩浆储运系统结构转变【AM,2024】
2024-05-15 阅读:67

岩浆系统的深部过程可能会随着时间演化发生岩浆储运系统结构上的转变。岩浆系统的储运结构和演化历史是一系列以不同时间速率运行的独立岩浆事件相互连接的结果。因此,了解喷发前、同喷发和喷发后岩浆过程的具体时间尺度,例如岩浆储库内部晶粥体被补充岩浆重新激活的时间,从储库中上升的岩浆在岩浆通道内部运输的时间,以及岩浆在地表熔岩流内部冷却的时间,对于重建岩浆储运系统的动态演化过程至关重要。扩散计时学已经被广泛应用于确定火山碎屑岩样品中晶体记录的时间信息,然而考虑到熔岩样品内部随温度降低熔体成分的改变以及晶体在岩浆温度下生长与扩散的耦合,传统的扩散模型过于简单,因此在熔岩样品中的应用仍然存在争议。

围绕上述科学问题,我校地球科学与资源学院博士研究生田野在“岩浆-热液演化与金属成矿”求真群体侯通教授的指导下,选取长白山天池火山造盾期玄武质喷发的头道期,白山期和老房子小山期熔岩作为具体研究对象,在传统的岩相学、矿物学和地球化学基础上,结合基于橄榄石Fe-Mg互扩散的自适应边界条件动态扩散模型,针对天池火山玄武质岩浆储运系统的演化历史开展了综合性的岩石学探究,取得以下新认识:

1三期熔岩均显示出斑状结构和相似的斑晶矿物组合,但橄榄石的化学成分和环带模式显示出不同特征(图1)。头道单元和白山单元根据橄榄石核部成分可分为高Fo橄榄石(Fo76-80)及低Fo橄榄石(Fo72-74)两种晶体群。高Fo橄榄石显示正环带或更为复杂的“肩形”环带特征,低Fo橄榄石仅显示正环带特征。老房子小山单元仅有高Fo橄榄石(Fo77-80)一种晶体群,且均显示正环带特征。

2)基于矿物温度计和相平衡热力学软件(Rhyolite-MELTS)模拟表明头道和白山单元高Fo橄榄石的结晶温度在1190-1200 ℃ 左右,而老房子小山单元高Fo橄榄石的结晶温度在1155 ℃ 左右。头道和白山单元液相线橄榄石的最大温压条件为1220-1240 ℃5-5.5 kbar;老房子小山单元液相线橄榄石的最大温压条件为1160-1180 ℃3.5-4 kbar。头道和白山单元Fo橄榄石的最大结晶温压条件不超过1140 ℃4 kbar2)。

3)基于动态扩散建模的时间约束表明(图3),头道和白山单元Fo橄榄石记录了更长的时间尺度(约200-800天),对应于较低的岩浆冷却速率(10-7-10-6 °C/s)和较慢的晶体生长速率(10-14-10-13 m/s)。这种相对高温且缓慢冷却的岩浆环境表明橄榄石成核于深部岩浆储库(~20 km)中,随后被输送到天池火山下的浅部岩浆储库中(~13 km)进一步储存。相反老房子小山单元高Fo橄榄石,以及头道和白山单元Fo橄榄石记录了较短的时间尺度(<140天),对应于较快的岩浆冷却速率(10-6-10-5 °C/s)和较快的晶体生长速率(10-13-10-12 m/s)。这种低温且相对过冷的岩浆环境表明橄榄石记录了岩浆上升以及地表熔岩侵位过程中的进一步冷却。

4)天池火山玄武质岩浆储运系统随时间演化经历了地壳储运结构的转变(图4)。头道和白山单元岩浆经历了深部和浅部岩浆储库的多阶段滞留和上升,而老房子小山单元岩浆仅在中地壳深度岩浆储库内滞留,随后直接上升到地表。

上述研究结果表明对于板内玄武质岩浆系统来说,储运系统可能随时间演化发生结构转变。此外,针对熔岩样品的动态扩散模型可以显著提高扩散建模的拟合度和获取时间尺度的可信度。因此,基于天池火山的动态扩散模型可以广泛应用于其他火山系统的熔岩样品中。

 

 

1  橄榄石Fo含量柱状图及代表性BSE图片


 

2  基于矿物温度计和相平衡热力学软件确定的温压条件

 


3  动态扩散模型约束的时间尺度岩浆冷却速率及晶体生长速率核密度曲线图

 


4  天池火山造盾期玄武质岩浆储运系统模式图

 

上述成果受国家自然科学基金优秀情况科学基金41922012、国家重点研发计划(2019YFA0708604-2)、“深时数字地球”中央高校科技领军人才团队基金(2652023001)、德国亚历山大·洪堡奖学金(1207058)以及德国研究基金会(HO1337/47)联合资助,并发表在国际权威期刊American Mineralogist上:Tian, Y. (田野),Hou, T.* (侯通),Wang, M. (王萌),Pan, R. H. (潘荣昊),Wang. X. D.(王旭东),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]

全文链接: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