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NC:晶粥模型及围岩批式混染在Bushveld层状岩体中的应用
2021-02-03 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

    岩浆房作为地质学中最基本的一个概念,长久以来被认为是地壳中大规模岩浆熔体的储库,其岩浆可以就地冷却结晶形成深成侵入岩,亦可喷出地表引起火山事件。尽管人们难以直接观察岩浆房,但一个充满熔体的容器深埋地下可以解释很多地质现象,从而使得相关概念早已深入人心。对于岩浆房动力学过程的进一步研究则需借助于一系列间接的观测手段,比如大型侵入岩的成分演化、火山岩中斑晶的粒径特征以及地震学、大地电磁等地球物理方法对活跃火山地区的实时观测。 

    美国黄石超级火山是世界上规模最大的陆内火山活跃地区,Huang et al.2015)通过远程地震P波对该地区的深部结构进行细致反演,发现5-17 km深度范围内存在岩浆房,其熔体比例估计为5%-15%,而更深的20-50 km范围内还存在一个规模更大的岩浆房,但熔体比例则进一步降至2%左右。这一观测结果无疑对早已根深蒂固的岩浆房模型造成了冲击。随后,Cashman et al.2017)结合了地球物理、地球化学、岩石学、火山学以及地质观察等诸多证据,针对岩浆房概念提出了新的范式转变,即深部岩浆储库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体,熔体比例低,仅存在部分以熔体为主的小规模区域。该晶粥模型一经提出,便受到了广泛热议。那么,在新的范式下,地壳浅部侵入体代表着熔体区域?亦或以晶粥为主呢? 

    针对这一问题,南非Bushveld层状岩体无疑是绝佳的研究对象。该岩体水平延伸超过400 km,厚度可达7-9 km,根据岩性变化自下而上可划分为底部带、关键带(含多个铬铁矿层,占世界75%铂和50%钯储量)、主体带和上部带(含多个磁铁矿层,产出世界上规模最大、品位最高的钒钛磁铁矿)(1)。自上世纪60年代研究伊始,Bushveld层状岩体就被作为以熔体为主岩浆房的典型案例,其不同带之间的岩性变化源于这一超大规模岩浆房内所发生的分离结晶作用。这一观念奠定了后续几十年的研究基础,直至最近人们通过细致的钻孔对比研究发现,除上部带外,岩体中各岩带内矿物成分和岩性变化相对复杂,并不具有显著规律性,各岩相之间穿插较为普遍(1),侵入时代也并非自下而上由老到新,相关特征可能归因于移动的晶粥以泥浆流方式侵位,并发生了一定程度的矿物分选。另一方面,早期研究广泛认为该岩体的母岩浆属于玻安质岩浆(对应于岩体边缘带内的B1岩浆),但近期钻孔则发现很多具有鬣次结构的冷凝边,表明其母岩浆应为科马提岩,而玻安质的地球化学特征更多源自于浅部围岩混染,即大家所熟知的AFC同化混染-结晶分异(assimilation coupled with fractional crystallization)过程(加入的围岩发生熔融所需要的热量来自于同期结晶事件所释放的结晶潜热,但晶出的矿物立即被移出整个体系)(2a)。 

1 南非Bushveld层状岩体的地质简图及垂向剖面(Yao et al., 2021)

    加拿大卡尔顿大学姚卓森博士后(中科院地质与地球物理所2018届博士毕业生)与James Mungall教授等发现Bushveld层状岩体现有认识中的逻辑相悖之处。一方面,地质特征要求岩浆以晶粥形式侵位;另一方面,地球化学的特征又归因于AFC过程—“一个全熔体的体系。追本溯源,AFC的概念最早源自于1920年代Bowen在实验中观察到晶出矿物因为密度较大而在静止岩浆中自由沉降,但是真实的岩浆运移和侵位并非一个静止环境,而隶属于动力学过程,因此AFC模式中晶出矿物重力沉降并迅速脱离岩浆可能无法适用于所有体系。对于Bushveld层状岩体而言,其母岩浆为科马提岩,熔体粘度比基性岩浆小2-3个数量级,因此运移侵位过程中更多表现出湍流特征,矿物的沉降速率会轻易被湍流中杂乱流速的向上分量所抵消,故而晶体悬浮其中,与岩浆保持平衡并随之运移(类似于黄河可以运移大量重泥沙)。基于这一晶粥流侵位机制,作者提出了一个新的围岩混染模型—ABC(assimilation coupled with batch crystallization, 围岩混染-批式结晶2b),并以此为基础,对整个层状岩体的岩浆演化过程进行热力学模拟,以期能够与已有的地球化学数据相吻合,从而印证该模型的有效性和适用性。 

2 (a)围岩混染AFC过程 (b)围岩批式混染的ABC过程(Yao et al., 2021)

    科马提质母岩浆侵入上地壳沉积地层,发生~17%-34%的围岩混染-批式结晶作用,并裹挟着矿物颗粒(主要为橄榄石和斜方辉石)继续运移。在此过程中,岩浆动力逐渐消耗并卸载部分矿物,形成密集堆积的晶体框架,期间含有较低比例的粒间熔体(~5-22%),另一方面,剩余岩浆中熔体比例相对增加,矿物荷载减小,得以继续运移。即岩浆发生批式混染并以晶粥流形式运移过程中进行了矿物与熔体相间的重新分配,其中滞留晶粥体的主量、微量和同位素组成与Bushveld层状岩体的底部带和下部关键带中的纯橄榄岩、辉石岩和斜方辉橄岩相一致,而残余岩浆的地球化学特征亦吻合于岩体边缘冷凝带中的B1岩浆3a、图3b)。岩体的上部关键带和主体带以苏长岩和辉长岩为主,缺失大量橄榄石和斜方辉石,故推测其母岩浆在中地壳范围的运移中发生了20%-25%的围岩批式混染,并在途中卸载了较多矿物颗粒,以晶粥形式侵位后亦发生了固相与熔体相间的分配,滞留晶粥体的成分特征与苏长岩和辉长岩相一致,而残余岩浆则与边缘带中对应的B2B3岩浆相符(3c、图3d)。因此边缘带中的B1-3岩浆并非传统认为的母岩浆冷凝所致,而代表着晶粥中残余岩浆的溢出产物。层状岩体上部带中矿物成分的垂向变化清晰表现出分离结晶的特征,长期以来被认为是岩体上部单期岩浆注入事件的结果,但相关熔体的成分特征一直存有争议。作者认为科马提质母岩浆在下地壳范围内发生更大规模的混染作用,其产出的熔体注入浅部晶粥体系,因密度差异在顶部暂时形成了一个以熔体为主的区域,并发生分离结晶作用,其晶出矿物的组合关系与成分变化完美契合于岩体上部带的观测结果(4) 

3 热力学模拟的微量元素与岩体对比图, 虚线为模拟结果,实线为各个岩相成分的平均值(Yao et al., 2021)。(a)下部关键带的辉石岩与边缘带中对应的B1岩浆(b)底部带中的纯橄榄岩、辉石岩和斜方辉橄岩;(c)上部关键带的苏长岩与边缘带中对应的B2岩浆(d)主体带的辉长岩与边缘带中对应的B3岩浆

4 岩体上部带发生分离结晶作用的模拟结果(Yao et al., 2021)。(a)矿物组合;(b)斜长石An牌号;(c)单斜辉石Mg#值;(d)斜方辉石Mg#值;以及(e)橄榄石Fo值的变化规律

    该项研究以岩浆房的新范式——晶粥模型为基础,结合岩浆侵位的动力学过程,提出一个新的围岩批式混染方式和计算方法,并以南非Bushveld层状岩体为对象,建立了贯穿地壳的混染模型,结合晶粥流侵位及相伴的固-熔体相分选过程,运用热力学模拟阐释了岩体中各个层位的演化和分异规律,很好地吻合于已有的主微量、同位素数据,从而证实这一超大规模层状岩体在侵入地壳时以晶粥为主体,并辅以局部的熔体区域。晶粥模型及围岩批式混染为浅部侵入体的岩浆演化、形成过程以及相应的成矿作用提供了新的思考维度。    

  主要参考文献

  Cashman K V, Sparks R S J, Blundy J D. Vertically extensive and unstable magmatic systems: a unified view of igneous processes[J]. Science, 2017, 355(6331). 

  Huang H H, Lin F C, Schmandt B, et al. The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust[J]. Science, 2015, 348(6236): 773-776. 

  Mungall J E, Kamo S L, McQuade S. U–Pb geochronology documents out-of-sequence emplacement of ultramafic layers in the Bushveld Igneous Complex of South Africa[J]. Nature Communications, 2016, 7(1): 1-13. 

  Yao Z S, Mungall J E, Jenkins, M C. The Rustenburg Layered Suite formed as a stack of mush with transient magma chambers [J]. Nature Communications, 2021, 12: 505.原文链接    

  (撰稿:秦克章/矿产室,姚卓森/加拿大卡尔顿大学)

 
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