近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所巖漿作用與成礦團(tuán)隊(duì)副研究員邢長明、研究員王焰與比利時(shí)列日大學(xué)Bernard Charlier和魯汶大學(xué)Olivier Namur通過對(duì)加拿大晚新元古代Sept Iles層狀巖體中橄欖石磷環(huán)帶的詳細(xì)研究，刻畫了巖漿房初始晶粥格架，為揭示巖漿房物理狀態(tài)提供了新的研究思路和方法。相關(guān)研究發(fā)表于Earth and Planetary Science Letters。
玄武質(zhì)地殼巖漿房是連接地球深部與地表火山的關(guān)鍵樞紐，其物理狀態(tài)如何是國際研究前沿，特別是針對(duì)巖漿房的物理模型之爭吸引了大量學(xué)者關(guān)注，即巖漿房是以晶粥為主的巖漿儲(chǔ)庫（magma reservoir）、還是以熔體為主的巖漿池（magma tank）。火山學(xué)家和地球物理學(xué)家基于全球活火山的觀測(cè)結(jié)果普遍認(rèn)為地殼巖漿房是以晶粥為主的巖漿儲(chǔ)庫，甚至提出根本不存在巨大的液態(tài)巖漿房。但一些火成巖石學(xué)家強(qiáng)烈質(zhì)疑這一模型，地殼巖漿房中晶粥的形成機(jī)制尚不清楚，對(duì)于巖漿房形成之初以及演化不同階段的物理狀態(tài)也缺少精細(xì)礦物學(xué)制約。
Sept Iles巖體是世界第三大層狀巖體，呈巖盤狀產(chǎn)出，直徑約80km，厚度約6km，體積約20000km3。巖體自下而上被分為邊緣帶（BZ）、層狀序列（LS）、上邊緣序列（UBS）和上部序列（US），其中LS自下而上被分為MCU I-III 3個(gè)單元。前人研究認(rèn)為，MCU I是玄武質(zhì)巖漿一次注入、連續(xù)分異形成，而MCU II和III的底部代表兩次主要的巖漿注入和混合事件，MCU II內(nèi)部至少存在6次較小規(guī)模的巖漿注入和混合事件。
在本項(xiàng)研究工作中，研究人員選取層狀序列不同層位的巖石和鐵鈦氧化物礦石開展了詳細(xì)的巖相學(xué)觀察，對(duì)橄欖石中擴(kuò)散極慢的磷（P）元素開展了高精度電子探針面掃描分析，取得了以下新認(rèn)識(shí)：
一是，橄欖石大規(guī)模不平衡結(jié)晶：橄欖石普遍發(fā)育復(fù)雜的P環(huán)帶結(jié)構(gòu)，包括樹枝狀、漏斗狀、扇形環(huán)帶以及不規(guī)則狀，揭示了巖漿房中橄欖石大規(guī)模不平衡結(jié)晶過程，是巖漿過冷卻和高冷卻速率導(dǎo)致橄欖石快速結(jié)晶的結(jié)果；
二是，“頂結(jié)晶”主導(dǎo)MCU I形成：巖漿房形成之初，巖漿房的頂、底和兩側(cè)與地殼圍巖的溫差是導(dǎo)致巖漿過冷卻的原因，但隨著結(jié)晶礦物在巖漿房底部和兩側(cè)持續(xù)堆積，高過冷度主要維持在巖漿房頂部，橄欖石自巖漿房頂部結(jié)晶并隨對(duì)流巖漿不斷向下堆積，形成MCU I單元；
三是，巖漿注入和混合導(dǎo)致不同程度過冷卻：巖漿房演化過程中，高溫的原始巖漿與較低溫的演化巖漿之間的溫差是導(dǎo)致巖漿過冷卻的重要因素。液相線溫度估算表明MCU II和III演化過程中原始巖漿與演化巖漿的溫差可高達(dá)120°C，數(shù)值模擬計(jì)算表明小規(guī)模的高溫原始巖漿注入將更快形成高過冷度；
四是，玄武質(zhì)巖漿高溫下快速冷卻：通過橄欖石P環(huán)帶擴(kuò)散模擬計(jì)算獲得了Sept Iles巖體中部的最小平均冷卻速率為2.9×10-3 °C/年。對(duì)比前人報(bào)道的南非Bushveld巖體、美國Stillwater巖體以及格陵蘭Skaergaard巖體的冷卻速率，發(fā)現(xiàn)玄武質(zhì)地殼巖漿房普遍存在高溫（>800 °C）下快速冷卻（10-2 - 10-3 °C/年）過程。
該研究提出巖漿中-高過冷度和快速冷卻可導(dǎo)致礦物在巖漿房中大規(guī)模快速結(jié)晶，是導(dǎo)致初始晶粥格架形成的重要機(jī)制。巖漿房的熱結(jié)構(gòu)和熱演化歷史對(duì)礦物生長機(jī)制以及巖漿房結(jié)晶-固化方式均有重要影響。橄欖石P環(huán)帶在制約鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體高溫結(jié)晶和冷卻歷史具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117710
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