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Nature Communications:深部岩浆房过程的模拟——以Bushveld岩体磁铁矿层为例

发布人:周娇娇发表时间:2022-01-25点击:

大家应该都有被前几天所发生的汤加火山喷发时间所吸引。作为全球最活跃的活火山之一,汤加火山曾在2009年、2014年、2015年、2019年、2021年和2022年发生多次喷发,暗示其深部可能存在较大规模的岩浆房,未来几年可能有更大规模的喷发。一般而言,活火山在休眠期内通过深部岩浆的上涌而积蓄能量,当岩浆房积累的能量足够多时,受挤压作用会沿着火山通道进一步上涌,形成火山喷发。因此,我们对深部岩浆房过程的理解便显得尤为重要。

由于岩浆房位于地壳的深部,无法直接观察,研究手段有限,所以人们早期只能通过火山喷发的产物来“一窥”深部岩浆房的“真容”。近距离的观察和研究表明火山喷发的熔岩主要以熔体为主(图1),同时会含有一定量的矿物斑晶和挥发份气体,因此“深部岩浆房主要以熔体为主”成为了人们长期以来的共识。

图1火山喷发的熔岩流主要以硅酸盐熔体为主


随着数据接收装置和后续处理手段的进步,地震学家们开始尝试给地球做“CT”来探明地球的内部结构,其中当然也包括深部岩浆房。地震波在地下世界穿行时与固相围岩和熔体间的“互动”是不尽相同的,因此对收集来的地震数据进行处理和分析能够反演得知相关地下物质的属性。美国黄石超级火山是世界上规模最大的陆内活跃火山,近期地震波对其的CT扫描发现其5-17km深度范围内存在流纹质岩浆房,熔体比例仅为5-15%,而更深处还有一个规模更大的玄武质岩浆房,但熔体比例进一步降至2%左右(图2)。虽然仅仅是地震波的间接观测结果,而且反演解译也存在多解性,但仍动摇了人们的早期共识,使得岩浆房的新范式呼之欲出,即“晶粥模型”——深部岩浆房并非由岩浆熔体所主导,而主要表现为一个贯穿地壳尺度的大规模晶粥,熔体比例低,仅存在部分区域以熔体为主导。而喷出的熔岩则可能更多地抽取了晶粥岩浆房中以熔体为主的区域。

图2黄石超级火山区域地震波成相结果的反演解译图


考虑到地球物理的多解性,深部岩浆房过程还需要通过对岩浆房最终固结产物(比如出露地表的大规模层状岩体)的成分演化研究来得到进一步的交叉印证。自上世界60年代开始,基于当时熔体岩浆房的认识,人们已经开始尝试通过对层状岩体岩石组合、矿物成分、同位素的规律性变化来刻画结晶分异、围岩混染、岩浆注入等深部岩浆房过程。但是,随着近期关于深部岩浆房的范式转变,很多基础性的既有认识也需要重新思考,比如:熔体岩浆房中,晶粥的形成可能源于熔体中晶体的均匀成核、生长和重力沉降,抑或是晶体在岩浆房底部的非均匀成核、原位结晶所致;但晶粥模型中,晶粥流的运移和就位过程即可形成最终的晶粥,而后续粒间熔体的成分对流和外来熔体的渗滤则可能对晶体成分造成一定的改造。因此,选择不同的岩浆房模型做为出发点,人们对于层状岩体中成分规律性变化的解释也存在一定的多解性。

南非Bushveld岩体水平延伸超过400km,厚度可达7-9km,是陆地上出露规模最大的层状岩体,自1960年代以来就被作为深部岩浆房过程的绝佳研究对象。岩体上部含多个磁铁矿层,基本以磁铁矿为主(含量在90-95%以上),部分矿床厚度可达1-2m以上,产出了世界上规模最大、品位最高的钒钛磁铁矿石(图3)。由于Cr元素在磁铁矿中有着较高的分配系数(100-300),因此岩浆房中早期结晶的磁铁矿具有较高的Cr含量,而随着熔体中Cr的不断消耗,后续晶体中Cr含量迅速降低,因此磁铁矿层中Cr含量的垂向变化跟结晶分异过程有着极其密切的联系。人们以此为切入点,在1980-1990年这十年间针对磁铁矿层开展了大量的工作,以期能够精细地刻画深部岩浆房的分离结晶过程。测试所得的磁铁矿层Cr含量剖面确实表现出自下向上的迅速降低,但是其与熔体中“晶体均匀成核-重力沉降”这一经典模型的结晶分异模型结果存在几处明显的不相符(图4a):1、相对于模拟结果,矿层底部Cr含量的下降更为快速;2、矿层顶部Cr元素含量又保持相对稳定,并未表现出结晶分异模型所要求的持续降低;3、Cr含量经常会在某一位置迅速升高,形成一个明显的反转。为了使模拟结果与实测剖面相吻合,早期科学家在模型参数上做了非常多的尝试,比如假设体系内不断有外来Cr的扩散补给,而相关的补给速率又需要随磁铁矿结晶速率而不断地改变,最终使得相关的热力学模拟工作逐渐演变为数学上对实测Cr剖面的曲线拟合。

图3 南非Bushveld岩体的上部磁铁矿层(地质锤所放位置)

图4 a. 磁铁矿层Cr含量的垂直剖面,虚线为晶体在熔体中均匀成核-重力沉降的模拟结果,该剖面上存在着Cr含量的反转;b, c. 磁铁矿层Cr含量的2维扫面工作和结果,Cr含量在水平方向上表现出波浪状起伏,同时底部存在多个富Cr的磁铁矿核


2020年南非威特沃特斯兰德大学的研究人员借助检测手段的进步,对磁铁矿层开展了2维的扫面测试(图4b),发现Cr含量在水平方向上呈现出波浪状的起伏,同时在矿层底部会出现高Cr的磁铁矿结核(图4c)。因此,他们认为磁铁矿并非在熔体岩浆房中均匀成核并重力沉降所致,而是在岩浆房底部发生非均匀成核,原位晶出高Cr的磁铁矿,随后结晶过程不断向外、向上延伸,导致固结界面的不断上移,无需经历晶粥阶段即可形成磁铁矿层。他们进一步推测大型层状岩体形成时仍以熔体为主导,而与晶粥模型不符。但是,相关的热力学模拟工作仍有很多值得商榷之处,比如为了模拟磁铁矿层底部Cr的快速降低,选择了远大于实验室测量值的分配系数;而为了拟合磁铁矿层上部Cr含量的变化规律,又频繁要求新岩浆的注入以补充熔体中的Cr(一个仅40cm厚,含有9个测量值的Cr剖面需要4期新岩浆的注入,而每期岩浆中Cr含量却又完全不同)。如果模型参数的选取有着明显的随意性,那么该工作又更多地近似于数学上的曲线拟合,一定程度上削弱了该模型在地质意义上的可信度。

图5磁铁矿晶粥中熔体的渗滤过程对Cr含量的改造作用,图d显示了熔体渗滤对三期岩浆注入形成的晶粥层的改造能够很好地解释剖面中Cr含量的显著反转


另一方面,磁铁矿层中的矿物结构和变形特征又显著表明,其形成时有较多粒间熔体的存在,应属于磁铁矿晶粥。因此,我们重新审视前人的工作,尝试从晶粥的形成过程和后续熔体渗滤改造的角度来解释磁铁矿层的Cr剖面。磁铁矿晶粥形成之初,粒间熔体的比例可高达50%左右,但由于磁铁矿自身密度远大于熔体,会触发强烈的堆晶压实作用,使得底部晶粥层的粒间熔体比例在几十年的时间内快速降低至15%,甚至更低。如此低的粒间熔体比例使得其很难与晶粥上方的岩浆主体发生对流,导致晶粥底部体系具有一定的封闭性。于此同时,上部的晶粥层受堆晶压实作用影响较小,仍有着相对高的粒间熔体比例,伴随着少量高密度磁铁矿的晶出,粒间熔体的密度迅速降低并远小于岩浆主体的密度,从而驱动粒间熔体与上方的岩浆主体间发生快速的成分对流。这一过程使得上部晶粥中粒间熔体的成分(Cr含量)始终与主体岩浆保持一致,进而导致相应的上部磁铁矿Cr含量也基本保持不变。另一方面,磁铁矿下覆的斜长岩层显示其曾被更原始的熔体渗滤,而这个富Cr熔体若继续向上运移并穿过磁铁矿层,则能够显著提高晶粥底部磁铁矿的Cr含量,使其显示出Cr快速降低的趋势(图5a-c中的红色实线)。晶粥形成过程中如果发生新岩浆的注入,会使得整个体系重新晶出富Cr磁铁矿,在原有的磁铁矿晶粥之上形成新的晶粥层,两者交界处的磁铁矿Cr含量无疑有着显著差异。后续熔体的渗滤过程则会部分消弭相邻层位中磁铁矿的Cr含量差异,最终表现为磁铁矿剖面上Cr含量的逐渐反转(图5d的红色虚线)。因此,磁铁矿晶粥阶段所经历的粒间熔体对流和熔体渗滤过程对磁铁矿Cr含量的改造能够很好解释实测磁铁矿Cr剖面与结晶分异模型的不相符之处,但又无需像前人的模型一样,不断修正体系内Cr元素的扩散补给速率以达到曲线拟合的效果。

图6富Cr熔体对上覆的磁铁矿晶粥渗滤过程的二维有限元模拟,曲线圆圈代表着晶粥中粒间熔体比例相对较高的区域


针对磁铁矿Cr含量的水平起伏特征,我们也尝试开展了熔体渗滤晶粥的二维有限元模拟工作。如果晶粥形成时岩浆房底部不甚平坦,或者其它因素的影响,会很容易造成磁铁矿晶粥层底部粒间熔体比例的非均匀分布,存在部分节点有着较高的粒间熔体比例,那么后续的渗滤熔体会更偏爱通过这些区域,使得相应位置的磁铁矿颗粒能够与更多的熔体发生反应和平衡,导致其Cr含量显著升高,表现出富Cr磁铁矿核的特征(图6a)。这一效应随着熔体的渗滤过程而继续向上延伸,最终表现为磁铁矿Cr含量在水平方向上的波浪状起伏(图6b, c),与2维扫面结果相一致(图4c)。如果晶粥中混入部分同源的斜长岩捕虏体,那么周缘的矿物堆积结构则会被打乱,使得捕虏体周缘具有很高的粒间熔体比例,那么更多的富Cr熔体会途径该区域而向上渗滤,最终导致周围磁铁矿含有较高的Cr含量(图6d),与野外的观测结果相吻合。

对深部岩浆房动力学过程的研究而言,地球物理的观测和解译显然力有不逮,需要更多借助于深成岩体的成分演化特征与热力学模型间的相互印证。但这一研究途径仍然存在很大的多解性,尤其是考虑问题时所处立场的不同。40多年来针对南非Bushveld岩体磁铁矿层Cr含量的变化规律,研究人员分别从“熔体中晶体均匀成核-重力沉降”、“底部非均匀成核-原位结晶”和“晶粥层的粒间熔体对流和渗滤”三个不同的角度构建模型,所得结果均能与观测结果相吻合。我们很难主观地判断哪个模型更加贴近真实的地质过程,但是考虑到前两个模型为了达到数据拟合的效果而引入了更为复杂的岩浆动力学过程(元素的扩散补给或多期次/频繁的岩浆注入),以及相对随意的参数选取,此处我们工作所选用的“熔体在晶粥中的对流和渗滤”无疑是一个更为合理且简单的地质模型。

广义而言,我们呼吁热力学模拟工作应更多地遵循“奥卡姆剃刀”原理,即尽量通过简单的地质过程和少量的模拟参数(比如,分配系数的选取最好根据已有的热力学实验结果)来拟合地质观测结果,“如无必要,勿增实体”。地质也许常常给人以一种深奥和复杂的感觉,但它的本质可能常常是简单而直接的。热力学模拟的美妙也恰恰在于一个好的模型,可能常常是最简单明了的地质过程,引用爱因斯坦的话-“美在本质上终究是简单性”。

相关工作近日刊出于国际地学权威期刊Nature Communications,论文第一作者系中国地质大学(武汉)资源学院资源科学与工程系的姚卓森教授。该研究得到岩浆-热液成矿系统学科引智基地校内配套项目(B20045)和国家自然科学基金项目(41830430)的资助。


论文信息

Title: Magnetite layer formation in the Bushveld Complex of South Africa

Authors: Zhuosen Yao, James E Mungall

Source: Nature Communications volume 13, article number: 416 (2022)

Published: 20 January 2022

DOI: 10.1038/s41467-022-28000-9

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-28000-9