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Nature:内陆火山可能起源于湿的地幔过渡带
2020-03-11 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  物质从固相到液相是温度和压力变化或者是固相线迁移的结果,火山喷发本质上也是这个过程,因此地球上大多数火山作用无非是3种起源:1)减压熔融,如洋中脊玄武岩(MORB);2)核幔边界起源的强烈热扰动(地幔柱)引起的洋岛玄武岩(OIB),如夏威夷火山;3)脱挥发分引起的固相线迁移,如通常处于俯冲板块边界的岛弧火山。近年来,有一类特殊的火山逐渐引起了地球科学家的重视:一种既不属于地幔柱成因,又远离板块边界(>1000 km),如长白山火山;还有一种叫做“petit-spot”,它具有EM1的地球化学特征(图1),但不属于洋岛玄武岩,如太平洋底新发现的小火山。这两种火山分别出现在日本俯冲带的前方和后方,它们的成因无法用经典的板块构造理论解释,还存在巨大的争议(Sun et al.,2017Zhang et al.,2018Chen and Faccenda,2019Fan and Chen,2019Lai et al,2019陈棋福等,2019)。我所2017届博士毕业生杨建锋与意大利帕多瓦大学的Faccenda教授合作,对这一类火山的动力学过程提出了全新的认识,研究成果发表于Nature 

1 (a) 中国东北地区新生代岩浆和petit-spot分布图;(b) 地震P波速度扰动切片图(图a灰线)(Yang and Faccenda, 2020)

  地幔过渡带(410-660 km)具有很强的含水能力,它主要由瓦兹利石和林伍德石组成,它们的含水能力比上地幔的主要矿物(橄榄石)和下地幔的主要矿物(布里奇曼石)多一两个量级。多学科的证据也暗示中国东部的地幔过渡带确实富水,含水量可能达到0.5 wt.% 

  研究者设计的动力学数值模型结果表明:当俯冲板块与湿的地幔过渡带发生相互作用时,会将地幔过渡带的水挤出,这些水之后进入上下地幔,从而促发部分熔融,形成地震波低速异常及海沟前方的内陆火山(图2)。随着板块后撤,更多的含水地幔流进入上地幔,在海沟后方发生脱水熔融,进而形成petit-spot火山。 

2 地幔过渡带之上和之下的脱水熔融。a.物质成分场;b.含水量(曲线为等温线);c.模拟的地震P波速度异常(Yang and Faccenda, 2020)

  通过动力学模拟优选模型,发现火山岩的时空变化具有这些特征:大陆一侧,距离海沟越远,火山岩越年轻;海沟后方,距离海沟越远,petit-spot就越年轻(图3)。值得注意的是,该模型假设地幔过渡带含水是均匀的,从而使火山岩和petit-spot呈现较好的时空关系,如果过渡带的含水不均匀,可能就会打破这种时空关系。因为只有含水量足够多的区域才能发生熔融,不含水或者含水量不足的区域不能发生熔融,也就是说,如果含水量不足,即使地幔转换带的物质因对流进入上地幔,也不能形成火山岩。 

3 火山岩体积随时间的演化(Yang and Faccenda, 2020) 

  地震波低速异常带位于地幔过渡带(410 km)之上,且全球广泛分布,普遍解释是这一低速带由部分熔融引起,且410 km之上的融体密度要比周围地幔更重。该研究支持部分熔融的解释,但实验和模拟表明,410 km处的融体密度要比周围地幔更轻,而不是更重。因为干的熔体相比于周围地幔更重,湿的熔体则更轻,只有更轻,熔体才能进入上地幔并发生熔体抽取。 

  除了含水量可以影响熔融,是否需要考虑其他因素?岩石物理实验获得的地幔固相线表明,要使410 km深度发生熔融有两种可能,一种是存在地幔柱,另一种是含挥发分。地幔过渡带中主要的挥发分有两种:H2OCO2。如何排除挥发分中的CO2是主因?尽管有实验表明在~400 km深度可能会发生碳酸盐化的玄武岩熔融,可以用来解释俯冲板块上方的低速带(图1中的LVZ3),但解释不了板块后方和下方的低速异常(或部分熔融)。另一个方面,当深度超过~250 km时,随着深度增加,地幔由于Fe饱和(Rohrbach et al., 2007),氧逸度降低,从而变得更加还原,也有研究表明在冷的板块内,由于存在含水矿物,可能会形成氧化环境,但在过渡带深度的碳酸盐岩熔体会发生氧化还原冻结(redox freezing),所以碳在这个深度范围是稳定的,只能以石墨和金刚石的状态存在,不会发生部分熔融。总体而言,碳即使参与了熔融,也不会是主因。 

  这项研究的重要科学意义在于:模拟表明地幔过渡带存在水可以同时解释地质、地球化学和地球物理观测,如地震学上观测的上地幔低速带,以及地质学上观测到的内陆火山(如地中海地区的非造山火山、土耳其伊朗高原的内陆火山)和petit-spot     

  主要参考文献 

  陈棋福, 艾印双, 陈赟, 2019. 长白山火山区深部结构的探测研究进展与挑战. 中国科学:地球科学, 49(5): 778-795. 

  Chen L, Faccenda M. Subductioninduced upwelling of a hydrous transition zone: Implications for the Cenozoic magmatism in Northeast China[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(11): 11489-11504.(链接) 

  Fan X, Chen Q F. Seismic constraints on the magmatic system beneath the Changbaishan volcano: Insight into its origin and regional tectonics[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(2): 2003-2024.链接 

  Lai Y, Chen L, Wang T, et al. Mantle transition zone structure beneath Northeast Asia from 2D triplicated waveform modeling: Implication for a segmented stagnant slab[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(2): 1871-1888.链接 

  Rohrbach A, Ballhaus C, Golla–Schindler U, et al. Metal saturation in the upper mantle[J]. Nature, 2007, 449(7161): 456-458.链接 

  Sun Y, Teng F Z, Ying J F, et al. Magnesium isotopic evidence for ancient subducted oceanic crust in LOMU-like potassium-rich volcanic rocks[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(10): 7562-7572.链接 

  Yang J, Faccenda M. Intraplate volcanism originating from upwelling hydrous mantle transition zone[J]. Nature, 2020, 579: 88-91.链接 

  Zhang M, Guo Z, Liu J, et al. The intraplate Changbaishan volcanic field (China/North Korea): A review on eruptive history, magma genesis, geodynamic significance, recent dynamics and potential hazards[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 187: 19-52.链接     

  (撰稿:赵亮/岩石圈室,杨建锋/意大利帕多瓦大学)

 
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