冈底斯曲水岩基斜长石嵌晶结构对岩浆补给过程的启示

藏南冈底斯岩浆带经历了中生代俯冲-增生造山作用和新生代碰撞造山作用,是研究大陆地壳生长与演化的理想场所。位于冈底斯岩浆带中段的早始新世曲水岩基,主要由花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩及辉长岩等组成。前人已经在年代学、地球化学等方面对曲水岩基进行了大量研究。然而,对于岩基的形成是否由岩浆补给控制及其详细过程的研究还较为薄弱。花岗闪长质岩体中暗色岩浆包体特殊的产出状态,如包体墙和弥散状分布的包体等,显示岩浆补给在岩基形成过程中发挥了重要作用。包体中发育斜长石主晶包裹角闪石等客晶的嵌晶结构。本文聚焦包体斜长石的嵌晶结构及客晶矿物(如角闪石),结合背散射图像、矿物能谱扫描与矿物电子探针分析,以追踪曲水岩基形成期间的岩浆补给过程。计算结果显示客晶角闪石的结晶温度与压力最高(783~853℃、0.23~0.45GPa),包体基质角闪石次之(781~808℃、0.21~0.31GPa),花岗闪长质寄主岩中角闪石最低(769~802℃、0.18~0.26GPa)。此外,发育嵌晶结构的斜长石具有明显的成分环带,其偏钠质的核部指示了晶粥体的存在。本研究初步构建了岩浆补给模型与嵌晶结构的形成模型。镁铁质岩浆沿长英质晶粥体下部裂隙上升并淬火结晶大量小颗粒角闪石,随后进入晶粥体上部贫晶熔体中破碎成为小的岩浆滴。岩浆滴捕掳晶粥体中的斜长石,继续生长的斜长石包裹结晶于深部的角闪石而形成嵌晶结构。

长英质富晶体火山岩成因--岩浆补给与晶粥再活化

火山是人类窥探深部岩浆系统的窗口。从全球范围来看,贫晶体富熔体的火山岩(尤其是玄武岩和流纹岩)大面积出露,而富晶体的长英质火山岩仅出露于破火山周围。长英质富晶体火山岩主要可分为两类:一类是成分和晶体含量均一的火山岩;另一类是成分和斑晶含量分带的火山岩。富晶体火山岩是冷储存晶粥接受岩浆反复补给后重熔、再活化,重新具备流动能力而喷发形成的,储库中先存物质的成分决定了再活化形成的富晶体火山岩的类型。富晶体火山岩的存在能够很好地解释岩浆储库具有较长的寿命而岩浆汇聚结晶的过程却是迅速的这种看似矛盾的现象。虽然近年来长英质富晶体火山岩的研究已经取得了明显的进展,但仍有许多问题亟待解决,如碎斑熔岩的成因,如何判别晶粥活化,晶粥再活化与火山喷发的关系,岩浆补给和晶粥活化的时间尺度等。对富晶体火山岩的进一步研究将有助于深入揭示熔体演化、运移、在浅部的聚集和喷发的机制,并可为建立更完善的长英质岩浆演化模型提供更多信息。

岩浆补给作用对硅质火山岩浆系统演化的制约

硅质火山喷发作为大陆地壳岩浆活动的重要表现,在研究大陆地壳形成与演化、探讨岩浆过程与动力学机制等方面具有重要的价值,其通常所表现的强烈爆炸式喷发,甚至可以导致全球性的环境和气候变迁。硅质岩浆系统在开放体系中不同来源岩浆的贡献和相互作用是目前研究的热点问题。持续的岩浆补给可以延长岩浆存储的时间,促进岩浆房的对流、岩浆的分异演化以及晶体-熔体的分离和晶粥的再活化,同时也是触发火山喷发的重要机制之一。此外,岩浆补给以及硅质岩浆的晶体-熔体演化过程也是火山喷发产物多样性的原因,导致同一火山在其活动过程中喷发产物规律性的变化,如富晶体火山岩、贫晶体火山岩、火山岩成分分层、以及复活岩穹和中央侵入体等。因此,岩浆补给作用是制约硅质火山岩浆系统演化和火山岩成分多样性的重要因素,也是活动火山监测和灾害评估的重要依据。岩石学、岩石地球化学、矿物(长石、石英、石榴子石、锆石等)同位素及成分变化,以及模拟实验、地震层析成像等研究为揭示硅质岩浆系统中的岩浆补给作用和复杂岩浆过程提供了多种视角。

岩浆储库的活化:以浙江西部马头石英二长岩为例

东南沿海地区发育大量早白垩世晚期到晚白垩世早期的碱性岩,主要为石英正长岩和石英二长岩。然而,这些岩石的成因一直都存在争议。为了明确这些岩石的成因,本论文选择了浙江西部的马头岩体进行研究,分析了其中石英二长岩全岩主微量元素组成和矿物相特征,并结合锆石U-Pb年代学、锆石Hf同位素、锆石微量元素、磷灰石微量元素和斜长石电子探针等技术对其进行了详细研究。锆石U-Pb定年结果显示,马头岩体形成于100±1Ma,属于早白垩世晚期岩浆活动产物。野外观察发现,马头岩体中发育大量的闪长质暗色包体。马头石英二长岩中的锆石ε_(Hf)(t)(-10.4~-0.4)变化极大,表明其是由古老陆壳来源的酸性岩浆与地幔来源基性岩浆混合所形成。马头岩体中的锆石结构十分复杂,在CL图像上普遍显示出黑色的核部、白色的幔部以及黑色的边部。最早期的黑色锆石核部具有相对高的Th、U、Hf含量,变化较大的Eu/Eu^(*)(0.5~0)、Zr/Hf(40~70)和Th/U比值、Ti含量,表明它们结晶自地壳中的演化程度较高的低温且结晶度较高的硅质岩浆储库。白色的幔部锆石具有低的Th、U、Hf含量,Eu/Eu^比值相对较高(0.15~0.37),表明由于基性岩浆的注入导致先存岩浆储库发生活化和熔融,使得岩浆储库内温度升高且熔体比例增加,而随着矿物进一步结晶,晶体间隙之中的熔体演化程度升高,其中结晶了最晚期的具有高U和Hf含量、低Eu/Eu和Zr/Hf的黑色锆石边部。斜长石电子探针数据表明,随着斜长石斑晶的结晶,岩浆储库经历了晶体-熔体分离过程,导致活化后储库内的熔体从富钙向富钠演化,最终结晶形成了细粒状的石英和钠长石。石英二长岩中的磷灰石具有较低的Sr含量(113×10^(-6)~417×10^(-6)),较高的U、Y、轻稀土和较低的重稀土含量,表明先存岩浆储库在经历活化之后,也经历了斜长石、榍石和磷灰石等矿物的分离结晶。锆石记录了岩浆储库的活化和熔融过程,而斜长石和磷灰石等矿物仅记录了岩浆储库活化后的晶体-熔体分离和熔体抽离过程。因此,马头石英二长岩表明其代表岩浆储库活化后经历了熔体抽离的残余岩浆储库,与之同时形成的高硅流纹岩(或高硅花岗岩)是从岩浆储库中抽离出的富硅熔体。最后,我们研究表明岩浆储库在大部分时间内处于低温、低熔体比例的状态,基性岩浆的注入使得先存岩浆储库经历了活化和熔融,这是浅部地壳岩浆储库能再次经历晶体-熔体分离和火山喷发的关键因素。

锆石微量元素地球化学对硅质火山岩浆系统的制约

大型硅质火山作用(喷发体积约102~10^(4)km^(3))的岩浆系统是地壳尺度的,经历了复杂的起源、运移、存储、补给和喷发等过程。揭示岩浆从起源到喷发过程中的结晶分异、堆晶、晶体-熔体分离、地壳混染、岩浆补给、晶粥活化等岩浆作用的细节是认识硅质火山岩浆系统演化的关键。锆石中Th、U、Ti、Hf和REE等微量元素的含量和系统变化反映了锆石结晶熔体的成分、温度、氧逸度和水含量等以及共生的矿物相特征,对示踪火山岩浆系统的演化过程具有重要研究意义。随着岩浆温度降低过程中结晶分异作用的进行,锆石微量元素呈现出Hf含量升高、Ti含量降低以及Th/U、Eu/Eu^(*)和Zr/Hf等比值降低的趋势,这些元素含量和比值可以作为岩浆分异演化程度的指标。成矿斑岩中的锆石一般具有高的Ce^(4+)/Ce^(3+)和Eu/Eu^(*)值,反映了岩浆具有高的氧逸度和水含量。火山岩锆石可能经历多阶段结晶过程,因而形成复杂的核-边结构特征,核部具有熔蚀现象,边部CL较亮并具有低的Hf、U和高的Ti含量以及Eu/Eu^(*)值等,反映了岩浆补给作用和晶粥活化过程。由于锆石颗粒比较微小,在晶体-熔体分离过程可能随提取的熔体进入喷发岩浆房,从而可以连续记录岩浆成分的变化,或者残留在晶粥中记录晶体-熔体的分离。锆石微量元素结合高精度年代学分析,可以精细制约火山岩浆系统的多阶段演化过程及其时间尺度。在锆石微量元素数据的解释和筛选过程中,需注意扇形分区、锆石褪晶化和其他矿物包裹体对分析结果的影响,并同时开展岩相学研究,结合锆石产状和共生矿物组合特征,为制约火山岩浆系统的演化过程提供可靠信息。

岩浆活动与构造应力的相互作用及其与火山活动状态的关系

本文考虑一个包含岩浆囊和火山隆起的三维黏弹性地壳有限元模型,通过数值模拟的方法揭示了岩浆活动与构造应力之间的相互作用.首先,在底部岩浆的持续补给作用下,总结了火山地表形变、应力大小和岩浆囊过剩压力在岩浆补给不同状态下的特征和表象;同时本文研究了构造应力场变化对火山岩浆囊应力的影响,发现10 MPa的板块应力作用能够引起岩浆囊内±1.2～1.6 MPa的压力变化,这个基级足以对岩浆囊形成扰动,从而引发各种火山活动.

地壳硅质岩浆演化的动力学机制

硅质岩浆的成因及演化机制研究是认识大陆地壳成分结构演化机制的关键途径。地壳硅质岩浆储库的基本性质及其演化的动力学过程是制约硅质岩浆演化及其多样性的根本原因,也是受到广泛关注的前沿和热点问题。本文总结了硅质岩浆储库的基本性质及其演化机制研究的相关进展,重点探讨了岩浆体系演化的动力学机制,即其物质成分及温度压力条件的动态演化过程,亦即岩浆储库在补给驱动下的存留、活化、分异、喷发过程。经由累积生长的方式形于地壳浅部的硅质岩浆储库以晶粥为主要赋存形式,具有较低的温度压力范围和高硅高结晶度高粘度的特征。岩浆储库的基本性质导致其自身不具有持续演化的能力,只有在基性岩浆补给的驱动下才能长时间存留分异或快速活化喷发。基性岩浆的补给及其携带的热及流体/挥发份深刻地改变了岩浆储库的物质成分及物理条件,是导致硅质岩浆分异演化或喷发的根本原因。本文还结合研究进展探讨了东南沿海地区中生代火山-侵入岩的成因演化机制及相关问题。

岩浆与构造作用对洋壳厚度的影响--以西北印度洋为例

洋中脊及邻区洋盆的洋壳厚度能很好地反映区域岩浆补给特征,对于研究洋中脊内部及周缘岩浆活动和构造演化过程具有很好的指示意义.西北印度洋中脊作为典型的慢速扩张洋中脊,其扩张过程与周缘构造活动具有很强的时空关系.本文利用剩余地幔布格重力异常反演了西北印度洋洋壳厚度,由此分析区域内洋壳厚度分布和岩浆补给特征.研究发现,西北印度洋洋壳平均厚度为7.8 km,受区域构造背景影响厚度变化较大.根据洋壳厚度的统计学分布特征,将区域内洋壳分为三种类型:薄洋壳(小于4.5 km)、正常洋壳(4.5~6.5 km)和厚洋壳(大于6.5 km),根据西北印度洋中脊周缘(~40 Ma内)洋壳厚度变化特征可将洋中脊划分为5段,发现洋中脊洋壳厚度受区域构造活动和地幔温度所控制,其中薄洋壳主要受转换断层影响造成区域洋壳厚度减薄,而厚洋壳主要受地幔温度和地幔柱作用影响,并在S4洋中脊段显示出较强的热点与洋中脊相互作用,同时微陆块的裂解和漂移也可能是导致洋壳厚度差异的原因之一.

海洋核杂岩形成机制及其热液硫化物成矿意义

海洋核杂岩是近年来新提出的洋底构造样式,其主要产出于慢速-超慢速扩张洋中脊轴两侧,目前在中大西洋脊、西南印度洋脊、中印度洋脊以及东南印度洋脊均发现海洋核杂岩。海洋核杂岩以其表面梳状构造为主要的探测特征,其构造要素还包括平行于洋脊轴的拆离断层、上盘后期正断层等;其岩石组合以出露于洋底的地幔岩石为主。海洋核杂岩的发育与慢速-超慢速洋脊的扩张速率、岩浆补给和拆离断层的发育有关:慢速-超慢速扩张洋脊的岩浆补给不足以平衡洋脊扩张所带来的空间应变量,从而以在薄弱带发育拆离断层来弥补,并继而使拆离断层下盘的地幔岩石出露洋底表面,形成海洋核杂岩。海洋核杂岩的发育经历了发育初期、发展期、成熟期和衰亡期等周期。海洋核杂岩为洋底热液硫化物矿床的发育提供了物质来源、热液通道等有利条件,或将是热液硫化物矿床发育的有利构造条件,是一种新的远离洋脊轴的热液系统。

火山活动状态及其机理的初步探讨

根据火山喷发实例总结了火山喷发在不同阶段的活动状态,并探讨了可能的物理机理。火山活动从岩浆补给到岩浆喷发的物理过程可分为3个阶段:1)岩浆补给阶段,岩浆囊压力差或过剩压力的大小决定了火山活动是否休眠或扰动,岩浆补给速率对压力差起了决定性的作用;2)通道形成阶段,当过剩压力超过围岩破裂强度时,围岩开始破裂,之后水热活动起了重要的作用;3)岩浆运移与失稳喷发阶段,主要是岩浆运移与地壳盖层的相互作用与失稳的过程。文中还讨论了火山活动状态与火山喷发危险性等级之间的关系,7个危险性等级分别对应于火山活动的7种状态,即休眠、平静、扰动、动荡、临界、活动、灾变。

硅质岩浆系统的晶粥活化作用及其岩石学记录

硅质岩浆系统近年来取得的重要研究进展是构建了由晶粥组成的地壳尺度岩浆系统模型,为理解岩浆储存和演化过程,以及大陆地壳的形成与分异提供了新视角。本文系统总结了晶粥活化在硅质岩浆系统中的作用和研究意义,指出晶粥活化是富晶体火山岩浆喷发前的关键步骤,同时晶粥活化促进了晶体-熔体分离和熔体的抽取,也是大规模贫晶体高硅流纹岩形成的重要机制,对理解火山岩和侵入岩成因联系以及活动火山喷发预测等均有重要意义。目前的研究显示,晶粥活化通常与高温偏基性岩浆补给有关,主要受控于热量和挥发分的输入,晶粥活化的时间尺度与其机制有关,但总体上很短,大约数年到数千年。富晶体火山岩、成分复杂的浆屑和浮岩碎屑、破火山内的复活侵入体,以及这些岩石中常见的富晶体包体、聚晶结构、堆晶结构、复杂的晶体群、矿物熔蚀结构和复杂成分环带等都记录了硅质岩浆系统中发生的晶粥活化过程。

斜长石结构和成分对开放体系下岩浆演化的指示:以浙江拔茅白垩纪英安岩为例

矿物的结构和成分可用来反演岩浆演化过程。为探讨酸性岩浆房内岩浆演化过程,以浙江拔茅火山主体英安岩中的斜长石为例,对其开展了矿物学、地球化学研究。结果显示,斜长石普遍具有核-幔-边结构,暗示其在喷发前处于开放性岩浆房内,并经历了复杂的岩浆过程。对代表性斜长石的电子探针成分及背散射图像分析表明,斜长石核部、幔部及边部分别具有不同的成因,反映了英安岩岩浆从深部聚集并在浅部岩浆房内周期性补给的过程。岩浆的这种周期性补给过程抑制了结晶分异作用对熔体成分的改变,全岩地球化学特征主要反映其源区特征及熔融过程。