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NC:熔融包裹体气相组成研究揭示大火成岩省挥发分历史——对岩浆喷发和全球气候影响的意义
2020-11-09 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  在岩浆上升的过程中,挥发性元素会通过影响岩浆的行为,最终控制火山爆发的时间和能量。火山气体如CO2CH4SO2等快速释放到大气圈会对全球气候和生物系统造成毁灭性的影响(Clapham and Renne, 2019)。在地质记录中最好的实例就是大火成岩省的岩浆活动,它们与显生宙一些重要的生物灭绝事件同时发生,说明大火成岩省(通过释放挥发分)是全球性气候和环境变化的潜在诱因之一。 

  大火成岩省通常以大陆溢流玄武岩为主,是特殊的板内岩浆事件,它们往往周期性地爆发、形成巨量的岩浆,导致其中挥发分脉冲式的释放,造成大气圈CO2快速上升以及全球气候变暖。 

  除了扰动气候,火山CO2对岩浆的贮存、上升和爆发也起了关键的控制作用,并且会驱动岩浆储库的稳定性和演化,控制溢流玄武岩的岩浆作用和与之相关的气体释放量。由于CO2的出溶会改变岩浆的物理性质(如密度,粘度和浮力),因此对岩浆上升过程也至关重要。然而,至今并没有直接证据表明大火成岩省喷发的深部岩浆中含有大量的CO2 

  针对上述科学问题,意大利学者Capriolo et al.2020)通过测试熔融包裹体中的挥发分(尤其是CO2),研究了地球上最大的大火成岩省之一——中大西洋岩浆省(CAMPCentral Atlantic Magmatic Province)岩浆中挥发分的喷发历史,并进一步探讨了其在岩浆喷发和全球气候变化等方面的意义。 

  CAMP岩浆的侵位(峰值在201.6–201.1 Ma)发生在Pangaea超大陆裂解的早期,与三叠纪末大灭绝(显生宙五大最严重生物危机之一)的年龄一致。CAMP玄武质岩浆通过脉冲式喷发或侵入,以高爆发率为特征,如此短且强有力的爆发会对全球气候产生剧烈影响。该研究筛选了北美、非洲和欧洲CAMP玄武质熔岩流和岩床中超过200个侵入岩和喷发岩的样品,综合多项原位测试技术,研究了熔融包裹体气泡中的挥发分。 

  研究结果表明,在超过200CAMP玄武质侵入岩和喷发岩的样品中,约有10%发现了含气体出溶气泡的熔融包裹体,它们主要寄主在单斜辉石中。熔融包裹体的共焦点拉曼光谱测试结果显示,在单个和多个气泡熔融包裹体中都能够检测到CO2或者元素C(石墨和非晶质碳),但未检测出COCH4SO2H2S;在熔融包裹体的玻璃质中常能检测到水,但是在气泡中检测不到水。Nano-SIMS测试结果表明,熔融包裹体的熔体玻璃中含有0.5–0.6 wt% H2O30–90 ppmCO2作者利用气泡中气态CO2的密度和熔融包裹体中气泡的体积分数计算了CO2含量,结果显示,其含量介于0.5-1.0 wt%之间 

  单斜辉石和熔体平衡的温压计算结果显示,寄主单斜辉石结晶压力为0.1–0.7 ± 0.2 GPa,结晶温度为1150–1230 ± 27°C,与前人预测的整个CAMP玄武岩中单斜辉石结晶压力的结果(0.2–0.8 GPa)一致。上述研究结果表明CAMP中的单斜辉石结晶作用主要发生在中部陆壳。 

  熔融包裹体来源于深部的推断同样被熔体玻璃和气泡中的挥发分含量证实。部分熔融包裹体中出现硫化物的事实表明,被捕获的熔体硫化物达到饱和状态,S含量很可能超过了1500 ppm。并且,通过Nano-SIMS检测出熔融包裹体玻璃中含有0.5–0.6 wt% H2O,揭示了熔体的含水条件。尽管熔融包裹体玻璃中出现了H2OS,但在气泡中并没有检测到这些挥发分。考虑到板内的拉斑玄武质熔体含约1wt% H2O和约0.1wt% SO2H2OSO2预计出溶压力小于0.1 GPa(即< 3 km深度)。因此,在熔融包裹体中观察到的玻璃和气泡之间挥发分相的分配表明,气体出溶和气泡形成是一个富CO2的熔体在相对高压的环境下发生的。 

1 CAMP玄武质岩浆从地幔到地表岩浆通道系统缩略图(Capriolo et al., 2020

  综上推断的CO2出溶和捕获深度显示挥发分来源深度(至少)平均12 ± 7 km(图1。因此CAMP就位过程中CO2量不仅仅来源于浅部沉积物同化和去气作用,因为环大西洋盆地的沉积物在北美东部厚度仅为5 km,在摩洛哥和葡萄牙<1 km。相反,至少部分CO2很可能来源于深部到中部地壳变质沉积岩的同化作用,或者来自含有大量再循环沉积物质的CAMP玄武岩地幔源区(图1 

  利用计算获得的捕获深度(约12 ± 7 km)的结果,可以估算CAMP岩浆中原始CO2量。玄武质熔体中CO2在压力0.2 GPa含量约1000 ppm条件下达到饱和,每0.1 GPa渐增500 ppm。考虑结晶深度,CAMP岩浆中估算的最少CO2含量,气体出溶前约为500–4000 ppm。该值与熔融包裹体中CO2含量一致(0.5–1.0 wt%)。而且,用熔融包裹体中CO2含量最小计算值(0.5–0.6 wt%)代表CAMP岩浆的结果,假设玄武质岩石的平均密度为2.90 g/cm3,按照CAMP总体积为5–6 × 106 km3(同时考虑深部通道系统),可以计算出CAMP释放的的CO2总量达105 Gt。有趣的是,估算的CAMP岩浆CO2含量(0.5–1.0 wt%)和CAMP就位过程中释放的火山CO2总量(达105 Gt),与用不同方法估算的其它大火成岩省的结果一致。 

  CAMP熔融包裹体中含CO2气泡可以解释为批式上升的挥发分在其迁移和爆发之前快速被捕获进晶粥状态的熔浆。这是玄武质岩浆在深部发生CO2饱和的证据,也可以解释CAMP脉冲式爆发,其中CO2扮演了岩浆上升推进剂的角色,从而引起快速和猛烈的火山爆发。大量含CO2气泡的出现,脉冲式火山爆发和高效的CO2从玄武质岩浆中释放,增强了CAMP在引起三叠纪末极端温室条件的作用。挥发分释放率在确定地表环境响应的严重程度上起着重要作用,更快的释放增加了大气中CO2的最大瞬时含量和对环境影响的严重性。假设CAMP玄武岩中含有0.5–1.0 wt%CO2,根据通常认为的CO2平均密度和熔融包裹体的玻璃/气泡比值,考虑到CO2通过岩浆高效上升到大气圈中,因此可能仅仅单个CAMP火山脉冲就可以严重影响三叠纪末的古气候。事实上,单个短暂的CAMP岩浆脉冲(0.5千年喷发约105 km3)可能释放了约5 × 1016摩尔CO2,与预测的21世纪人类活动排放量大致相同。 

  确定岩浆中挥发分含量非常具有挑战性,本研究以熔融包裹体为研究对象计算了岩浆中的CO2含量,并证实大火成岩省周期性大量脉冲的CO2排放与三叠纪末全球气候和环境变化直接相关,对于理解大火成岩省形成与大灭绝事件的关系非常重要;该研究另一贡献是确定了部分去气的C来自深部(地幔或者中下地壳),深部C是大火成岩省岩浆就位的关键控制因素和环境变化的驱动者,而不是前人认为的浅部沉积岩来源CO2(如西伯利亚大火成岩省)。    

  【致谢:感谢新生代室郭正府研究员对本文提出的宝贵修改意见】    

  主要参考文献 

  Capriolo M, Marzoli A, Aradi L E, et al. Deep CO2 in the end-Triassic Central Atlantic Magmatic Province[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1670. (链接) 

  Clapham M E, Renne P R. Flood basalts and mass extinctions[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2019, 47: 275-303. (链接)    

  (撰稿:蔡亚春,范宏瑞/矿产室)

 
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