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【前沿論壇】Boris Kaus: 現今和早期巖漿系統的動力學過程
2019-12-13 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

報告人:Boris Kaus | 整理:王欣欣(巖石圈室)

摘要:巖漿系統如何工作,地幔熔體如何運移到地表,地球早期地殼如何生成?這些復雜的動力學演化過程是迄今為止尚未解開的謎題。難點在于問題的時空跨度:地幔演化如此漫長,而巖漿作用相對如此迅速,其空間跨越厘米到千公里尺度,時間跨越分鐘到若干個百萬年。Kaus教授利用地球動力學數值模方法,研究了現今地球內部的巖漿運移過程,認為巖墻擴展和多次巖漿脈沖可以顯著地加速地幔巖漿的上涌和侵位,是巖漿從軟流圈到地表運移過程的控制因素;以美國黃石公園為例,模擬研究了活躍巖漿系統的物理過程,并得出巖石圈內部巖漿房連通性、巖石圈塑形變形和地殼粘性等因素控制著模型系統的表面抬升速率;同時,通過數值模擬研究早期地球的巖漿動力學演化過程,有效地重構出早期地殼的形成過程。

 

  一、地球的巖漿系統 

  我們了解到,俯沖帶將地表的水帶入到地幔,并在一定深度發生方程反應,釋放出水。俯沖帶的脫水反應,導致上覆地幔楔發生部分熔融,而熔體沿著某種路徑向上運移,讓系統更加復雜。地幔深部產生的熔體一般是鐵鎂質的,但多數大陸地殼卻是長英質熔體,說明熔體的化學成分在運移過程中發生過改變。 

  巖漿系統到底如何工作?圖1a摘自2014GrotzingerJordan寫的一本關于理解固體地球動力學演化的書。圖中顯示,地球深部巖漿房的巖漿不斷上涌,并在地表噴發,從而形成火山。但是,我們并不清楚這種巖漿系統工作模式的正確性。那么將如何判定?目前我們有兩種方式,分別為地球物理學和地質學,其中地球物理學為我們提供當前巖漿系統的結構。2015年,Kiser等人獲得圣海倫火山的縱波速度結構,實心點表示地震,顏色代表縱波速度值(圖1b)。圖中較低的縱波速度值,可能由巖漿導致,代表巖漿的位置和形態。但是,高溫或者物質差異等因素也可以造成縱波的低速異常,導致我們不能直接確定為巖漿成因。而且,地震波的波長有幾公里長,其中低于該波長的異常體無法被地球物理學成像。因此,地球物理學只能為我們提供一幅現今地球的間接圖像。下面我們再看地質學證據。圖1c顯示了Terres del Paine地區的圍巖和花崗巖,代表巖漿系統的一部分。地球內部的巖漿侵入到地殼,結晶后生成花崗巖,經過后期的構造改造,暴露在地表。這一復雜巖漿結晶過程是研究地球巖漿系統的至關重要一環。研究表明,地球內部5%或者10%的巖漿噴出到地表,生成火成巖,而剩余95%或者90%的巖漿則保留在地球內部。地球物理研究也發現,地殼內部不存在全部熔融導致的巖漿房,只存在部分熔融導致的巖漿房。然而,目前我們并沒有完全掌握巖漿系統的具體演化過程。最主要的原因在于,沒有建立聯合地球物理學和地質學的數值模型,用于定量地模擬巖漿系統的演化過程,其中包括巖漿從地幔到地表的運移過程。近幾年,我們課題組一直做這一部分工作,目前也獲得了一些成果。 

 

1  巖漿系統示意圖

  二、巖漿脈沖的數值模擬研究

  我們發現Torres del Paine地區的巖漿巖并不是均質的,其中花崗巖來自三個不同的巖漿脈沖(圖2)。目前我們可以精確地追溯出該地區多期巖漿脈沖的侵入時間和深度,其中巖漿脈沖的侵入深度約為3千米。目前地質或者地球物理證據發現,許多地區出現多期巖漿脈沖形成的基巖,例如阿爾卑斯和意大利北部等。下面我們需要思考幾個問題。為什么沒有產生火山?為什么巖漿發生侵入而不是噴發?這些問題的答案,我們還不得而知。  

2  Torres del Paine地區的地質構造圖    

  基于以上地質學的研究證據,我們利用MVEP2軟件設置了二維熱-力學初始模型(圖3a)。在數值模型中,花崗質巖漿脈沖源于大陸巖石圈地幔的頂部,初始溫度為900,熔融程度達到100%;每隔幾千年,在相同位置設置新的巖漿脈沖,并用不同顏色代表不同期次的巖漿脈沖(圖3b)。     

 

3  數值模型初始設置a)和不同期次巖漿脈沖顏色(b

  我們選取半徑10 km、時間間隔1 Myr、多期次的圓形巖漿脈沖作為參考模型,并在模型中設置巖墻,模型演化結果如圖4。我們計算發現,溫度較大、粘度較低的巖漿脈沖首先突破殼-幔邊界,上升到下地殼;第二個巖漿脈沖出現后,花崗質巖漿繼續上涌,在下地殼形成一個巖墻帶;隨著多次巖漿脈沖的持續加入,下地殼產生多個巖墻帶,致使巖漿突破上-下地殼邊界;隨著巖墻帶在上地殼不斷產生,巖漿最終上涌到地殼淺部。 

  通過改變花崗質巖漿脈沖的尺寸、次數、間隔以及巖墻擴展等,我們得出影響巖漿運移的關鍵因素。如果模型中沒有巖墻擴展作用,多期次巖漿無法突破上-下地殼邊界,無法侵入到上地殼淺部;如果模型中只有一個巖漿脈沖,巖漿向上運移很短一段距離后,會迅速冷卻,無法在上地殼形成侵入巖。因此,多期次的巖漿脈沖和巖墻擴展是巖漿系統侵入上地殼淺部的控制性因素。 

4 參考模型中巖漿脈沖的演化結果

  三、活躍巖漿系統的數值模擬研究 

  我們之前討論的數值模型主要基于地質學證據,下面我們著重討論地球物理學證據。圖5a是黃石公園超級火山及其相鄰區域深部結構的地震層析成像結果。結果顯示,黃石公園超級火山之下的上地殼和下地殼各存在一個較大的地震波低速異常區域,均代表巖漿房的位置。圖5b給出地幔柱供給深部熱物質-下地殼形成玄武質巖漿房-上地殼形成流紋巖質巖漿房的關系示意圖。然而,圖5只能給出定性的理論關系。上地殼和下地殼的兩個巖漿房形成的具體機制和過程?它們之間是否相互連通?為什么下地殼位置的巖漿房更大?為什么巖漿不在東蛇河平原下方聚集,而在黃石公園下方?這一系列的問題需要我們進一步研究。 

 

5  黃石公園及其相鄰區域深部結構的地震層析成像結果(a)和巖漿系統示意圖(b

  當然,地球科學家對黃石公園超級火山區域也進行了其他方面的研究,例如重力學研究發現火山區域存在高達-50 mgal的重力異常,GPS研究確定出其表面抬升速度以及水平運動速度和方向等。然而,現今巖漿系統如何工作才能導致這種物理狀態,是巖漿本身的浮力,還是巖漿房之間的相互連通。 

  我們利用三維并行熱-力學軟件LaMEM研究黃石公園超級火山巖漿系統的物理機制。LaMEM由我們課題組利用有限差分方法編寫而成,可以計算粘--塑性流變、自由表面、相圖、重力異常等參數的變化??悸塹絞淙氬問?、計算量大,我們將LaMEM、伴隨算法和重力反演相結合,用于確定影響研究區域現今巖漿系統物理狀態的關鍵因素?;詰卣鴆鬮齔上窠峁?/span>Huang,2015),我們設置了初始模型(圖6a),其中地幔柱、玄武質巖漿房和流紋巖質巖漿房分別設置在地幔淺部以及上、下地殼底部,而連接它們的黑色區域則代表閥門,通過控制閥門的開關,可以控制它們之間的連通性。 

  通過計算模型中巖漿系統的有效密度,測試巖漿房的連通性、地殼和上地幔的流變屬性等參數,我們得出最符合本研究區域的模擬結果(圖6b)。我們研究發現,如果巖漿房之間沒有連通,模型最高的表面抬升速率僅有~0.2 cm/yr;如果巖漿房之間相互連通,上地殼的流變屬性為塑性,那么表面抬升速率可達~1.2 cm/yr,與觀測值相符;如果巖漿房之間相互連通,地殼的流變屬性為粘性,那么表面抬升速率會更高。因此,黃石公園超級火山表面抬升的驅動力不僅是巖漿本身的浮力,還需要巖漿房的相互連通以及塑性的上地殼。 

 

6  黃石公園超級火山區域巖漿系統的初始模型設置a)和計算結果(b    

  四、地球早期巖漿系統的數值模擬研究 

  下面介紹我們課題組針對地球早期巖漿系統的部分研究工作。與現代地球不同,太古代時期地幔的溫度較高,導致其軟流圈存在更多的熔體組分,地殼含有較高的鎂。然而,現今觀測到的太古代陸殼主要由英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖(?tonalite–trondhjemite–granodiorite)組成,指示其源自富水和低鎂的玄武巖,并不是高鎂的陸殼。為什么現今不存在高鎂的太古代地殼?英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖的太古代陸殼又是如何產生的? 

  2014年,我們利用地球動力學數值方法模擬太古代地殼的形成過程,已將研究結果發表在Nature Geoscience?;諤糯露冉峁購臀鎦首槌?,我們利用Perple_X程序計算出其密度結果,發現較厚的地殼底部已經發生榴輝巖化,其密度大于軟流圈頂部的密度值。圖7a是我們計算太古代地殼演化的初始模型設置,其中白色線段代表地殼的榴輝巖化部分,藍色區域代表其余地殼,黃色區域代表部分熔融的軟流圈。我們的計算結果顯示,密度較大的下地殼底部,致使其重力不穩定而發生拆沉;拆沉的地殼物質向下運移,導致模型上部形成新的地殼(綠色部分),下部粘度低的軟流圈物質上涌(圖7b)。上述較沉地殼拆沉-新地殼形成-軟流圈物質對流的循環過程反復進行,直到模型穩定。但是,該模型存在一些缺點,例如模型演化過程中沒有生成英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖的太古代陸殼等。 

    

7  太古代地殼演化的熱-力學初始模型設置(a)和計算結果(b    

  基于地球化學研究結果,我們將物質的化學組分變化計算進熱-力學模型中,這種模型稱為巖石--力學模型。在數值模型中,每當物質部分熔融程度達到15%時,熔體被抽離;當25%或者40%的熔體被抽離后,模型物質相圖發生改變;被抽離后的熔體轉換為無水侵入巖和富水噴出巖。圖8為太古代陸殼形成過程的巖石--力學模型研究結果。太古代地殼形成過程主要分為三個階段,依次為孵化(圖8a)、滴落(圖8b/板內變形(圖8c)以及穩定(圖8d)階段。在孵化階段,溫度較高的富水軟流圈頂部物質首先發生部分熔融,每當熔融程度達到15%后,熔體被抽離并轉化為鎂鐵質侵入巖和噴出巖;剩余較重的軟流圈頂部物質向下運移,導致深部軟流圈物質上涌并發生解壓熔融,繼續生成鎂鐵質侵入巖和噴出巖。隨著鎂鐵質侵入巖在地殼底部不斷的累積,由于其密度較大,最終會失衡向下滴落(圖8b)。在滴落/板內變形階段,鎂鐵質侵入巖與巖石圈地幔一起向下滴落,長英質地殼物質的比重不斷增加;地殼和地幔持續冷卻,地殼厚度不斷增加。最終,模型進入穩定階段,地殼長英質比重緩慢增加,鎂鐵質殘余地殼緩慢滴下(圖8d)。我們發現太古代地殼的不穩定是由鎂鐵質成分導致,并不是榴輝巖化。 

8  太古代陸殼形成的巖石--力學模型演化結果

  五、結語 

  最后,我對這次報告內容進行簡單地總結。多次巖漿脈沖和相互連通的巖漿通道有助于巖漿在巖石圈內部的運移,而且早期地球與現今地球的巖漿系統有許多相似性。但是,巖漿系統在地球內部的運移是一個復雜的問題,仍然需要我們投入更多的精力深入研究,爭取更好地理解巖漿系統的工作過程和機制。    

  【說明:本次記錄基于Boris Kaus的發言整理而成,略有刪減。

  主要參考文獻 

  Cao W, Kaus B J P, Paterson S. Intrusion of granitic magma into the continental crust facilitated by magma pulsing and dikediapir interactions: Numerical simulations[J]. Tectonics, 2016, 35(6): 1575-1594. (鏈接) 

  Johnson T E, Brown M, Kaus B J P, et al. Delamination and recycling of Archaean crust caused by gravitational instabilities[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(1): 47-52. (鏈接) 

  Piccolo A, Palin R M, Kaus B J P, et al. Generation of Earth's Early Continents From a Relatively Cool Archean Mantle[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2019, 20(4): 1679-1697. (鏈接) 

  Reuber G S, Kaus B J P, Popov A A, et al. Unraveling the physics of the Yellowstone magmatic system using geodynamic simulations[J]. Frontiers in Earth Science, 2018, 6: 117. (鏈接) 

 
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