新聞動態邢長明等-EPSL: 橄欖石磷環帶揭示超大型玄武質巖漿房結晶歷史和冷卻速率
玄武質地殼巖漿房是連接地球深部與地表火山的關鍵樞紐，其物理狀態如何是國際研究前沿，特別是針對巖漿房的物理模型之爭吸引了大量學者關注，即巖漿房是以晶粥為主的巖漿儲庫（magma reservoir）、還是以熔體為主的巖漿池（magma tank）?；鹕綄W家和地球物理學家基于全球活火山的觀測結果普遍認為地殼巖漿房是以晶粥為主的巖漿儲庫，甚至提出根本不存在巨大的液態巖漿房。但一些火成巖石學家強烈質疑這一模型，地殼巖漿房中晶粥的形成機制尚不清楚，對于巖漿房形成之初以及演化不同階段的物理狀態也缺少精細礦物學制約。
近日，中國科學院廣州地球化學研究所巖漿作用與成礦團隊邢長明副研究員、王焰研究員與比利時列日大學Bernard Charlier博士和魯汶大學Olivier Namur博士通過對加拿大晚新元古代Sept Iles層狀巖體中橄欖石磷環帶的詳細研究，刻畫了巖漿房初始晶粥格架，為揭示巖漿房物理狀態提供了新的研究思路和方法。
Sept Iles巖體是世界第三大層狀巖體，呈巖盤狀產出，直徑約80 km，厚度約6 km，體積約20000 km3（圖1A）。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）（圖1B），其中LS自下而上被分為MCU I-III 3個單元（圖1C）。前人研究認為，MCU I是玄武質巖漿一次注入、連續分異形成，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內部至少存在6次較小規模的巖漿注入和混合事件（圖1D）。
圖1 加拿大Sept Iles層狀巖體地質簡圖、樣品位置及橄欖石Fo含量變化
本項研究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的巖相學觀察，對橄欖石中擴散極慢的磷（P）元素開展了高精度電子探針面掃描分析，取得了以下新認識：
（1）橄欖石大規模不平衡結晶：橄欖石普遍發育復雜的P環帶結構，包括樹枝狀、漏斗狀、扇形環帶以及不規則狀（圖2），揭示了巖漿房中橄欖石大規模不平衡結晶過程，是巖漿過冷卻和高冷卻速率導致橄欖石快速結晶的結果；
（2）“頂結晶”主導MCU I形成：巖漿房形成之初，巖漿房的頂、底和兩側與地殼圍巖的溫差是導致巖漿過冷卻的原因，但隨著結晶礦物在巖漿房底部和兩側持續堆積，高過冷度主要維持在巖漿房頂部，橄欖石自巖漿房頂部結晶并隨對流巖漿不斷向下堆積，形成MCU I單元；
（3）巖漿注入和混合導致不同程度過冷卻：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120oC，數值模擬計算表明小規模的高溫原始巖漿注入將更快形成高過冷度；
（4）玄武質巖漿高溫下快速冷卻：通過橄欖石P環帶擴散模擬計算獲得了Sept Iles巖體中部的最小平均冷卻速率為2.9×10-3 oC/年。對比前人報道的南非Bushveld巖體、美國Stillwater巖體以及格陵蘭Skaergaard巖體的冷卻速率，發現玄武質地殼巖漿房普遍存在高溫（>800 oC）下快速冷卻（10-2 - 10-3 oC/年）過程（圖3）。
圖2 MCU I單元中橄欖石的P元素分布特征. (A) 樣品位置. (B-E)背散射圖像. (F-I) 高精度電子探針P元素面掃描圖. (J) 橄欖石晶體模型及EBSD分析結果.
圖3 加拿大Sept Iles巖體與世界其他典型層狀巖體的冷卻速率對比
該研究提出巖漿中-高過冷度和快速冷卻可導致礦物在巖漿房中大規?？焖俳Y晶，是導致初始晶粥格架形成的重要機制。巖漿房的熱結構和熱演化歷史對礦物生長機制以及巖漿房結晶-固化方式均有重要影響。橄欖石P環帶在制約鎂鐵-超鎂鐵質巖體高溫結晶和冷卻歷史具有廣泛的應用價值。相關研究成果近期發表在國際地學期刊Earth and Planetary Science Letters上，該研究受國家重點研發計劃（2018YFA0702600）、國家基金和中科院青促會項目聯合資助。
論文信息：Xing Chang-Ming (邢長明), Wang Christina Yan* (王焰), Bernard Charlier, Olivier Namur. 2022. Ubiquitous dendritic olivine constructs initial crystal framework of mafic magma chamber. Earth and Planetary Science Letters 594, 117710.
