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【前沿论坛】Boris Kaus: 现今和早期岩浆系统的动力学过程
2019-12-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

报告人:Boris Kaus | 整理:王欣欣(岩石圈室)

摘要:岩浆系统如何工作,地幔熔体如何运移到地表,地球早期地壳如何生成?这些复杂的动力学演化过程是迄今为止尚未解开的谜题。难点在于问题的时空跨度:地幔演化如此漫长,而岩浆作用相对如此迅速,其空间跨越厘米到千公里尺度,时间跨越分钟到若干个百万年。Kaus教授利用地球动力学数值模方法,研究了现今地球内部的岩浆运移过程,认为岩墙扩展和多次岩浆脉冲可以显著地加速地幔岩浆的上涌和侵位,是岩浆从软流圈到地表运移过程的控制因素;以美国黄石公园为例,模拟研究了活跃岩浆系统的物理过程,并得出岩石圈内部岩浆房连通性、岩石圈塑形变形和地壳粘性等因素控制着模型系统的表面抬升速率;同时,通过数值模拟研究早期地球的岩浆动力学演化过程,有效地重构出早期地壳的形成过程。

 

  一、地球的岩浆系统 

  我们了解到,俯冲带将地表的水带入到地幔,并在一定深度发生方程反应,释放出水。俯冲带的脱水反应,导致上覆地幔楔发生部分熔融,而熔体沿着某种路径向上运移,让系统更加复杂。地幔深部产生的熔体一般是铁镁质的,但多数大陆地壳却是长英质熔体,说明熔体的化学成分在运移过程中发生过改变。 

  岩浆系统到底如何工作?图1a摘自2014GrotzingerJordan写的一本关于理解固体地球动力学演化的书。图中显示,地球深部岩浆房的岩浆不断上涌,并在地表喷发,从而形成火山。但是,我们并不清楚这种岩浆系统工作模式的正确性。那么将如何判定?目前我们有两种方式,分别为地球物理学和地质学,其中地球物理学为我们提供当前岩浆系统的结构。2015年,Kiser等人获得圣海伦火山的纵波速度结构,实心点表示地震,颜色代表纵波速度值(图1b)。图中较低的纵波速度值,可能由岩浆导致,代表岩浆的位置和形态。但是,高温或者物质差异等因素也可以造成纵波的低速异常,导致我们不能直接确定为岩浆成因。而且,地震波的波长有几公里长,其中低于该波长的异常体无法被地球物理学成像。因此,地球物理学只能为我们提供一幅现今地球的间接图像。下面我们再看地质学证据。图1c显示了Terres del Paine地区的围岩和花岗岩,代表岩浆系统的一部分。地球内部的岩浆侵入到地壳,结晶后生成花岗岩,经过后期的构造改造,暴露在地表。这一复杂岩浆结晶过程是研究地球岩浆系统的至关重要一环。研究表明,地球内部5%或者10%的岩浆喷出到地表,生成火成岩,而剩余95%或者90%的岩浆则保留在地球内部。地球物理研究也发现,地壳内部不存在全部熔融导致的岩浆房,只存在部分熔融导致的岩浆房。然而,目前我们并没有完全掌握岩浆系统的具体演化过程。最主要的原因在于,没有建立联合地球物理学和地质学的数值模型,用于定量地模拟岩浆系统的演化过程,其中包括岩浆从地幔到地表的运移过程。近几年,我们课题组一直做这一部分工作,目前也获得了一些成果。 

 

1  岩浆系统示意图

  二、岩浆脉冲的数值模拟研究

  我们发现Torres del Paine地区的岩浆岩并不是均质的,其中花岗岩来自三个不同的岩浆脉冲(图2)。目前我们可以精确地追溯出该地区多期岩浆脉冲的侵入时间和深度,其中岩浆脉冲的侵入深度约为3千米。目前地质或者地球物理证据发现,许多地区出现多期岩浆脉冲形成的基岩,例如阿尔卑斯和意大利北部等。下面我们需要思考几个问题。为什么没有产生火山?为什么岩浆发生侵入而不是喷发?这些问题的答案,我们还不得而知。  

2  Torres del Paine地区的地质构造图    

  基于以上地质学的研究证据,我们利用MVEP2软件设置了二维热-力学初始模型(图3a)。在数值模型中,花岗质岩浆脉冲源于大陆岩石圈地幔的顶部,初始温度为900,熔融程度达到100%;每隔几千年,在相同位置设置新的岩浆脉冲,并用不同颜色代表不同期次的岩浆脉冲(图3b)。     

 

3  数值模型初始设置a)和不同期次岩浆脉冲颜色(b

  我们选取半径10 km、时间间隔1 Myr、多期次的圆形岩浆脉冲作为参考模型,并在模型中设置岩墙,模型演化结果如图4。我们计算发现,温度较大、粘度较低的岩浆脉冲首先突破壳-幔边界,上升到下地壳;第二个岩浆脉冲出现后,花岗质岩浆继续上涌,在下地壳形成一个岩墙带;随着多次岩浆脉冲的持续加入,下地壳产生多个岩墙带,致使岩浆突破上-下地壳边界;随着岩墙带在上地壳不断产生,岩浆最终上涌到地壳浅部。 

  通过改变花岗质岩浆脉冲的尺寸、次数、间隔以及岩墙扩展等,我们得出影响岩浆运移的关键因素。如果模型中没有岩墙扩展作用,多期次岩浆无法突破上-下地壳边界,无法侵入到上地壳浅部;如果模型中只有一个岩浆脉冲,岩浆向上运移很短一段距离后,会迅速冷却,无法在上地壳形成侵入岩。因此,多期次的岩浆脉冲和岩墙扩展是岩浆系统侵入上地壳浅部的控制性因素。 

4 参考模型中岩浆脉冲的演化结果

  三、活跃岩浆系统的数值模拟研究 

  我们之前讨论的数值模型主要基于地质学证据,下面我们着重讨论地球物理学证据。图5a是黄石公园超级火山及其相邻区域深部结构的地震层析成像结果。结果显示,黄石公园超级火山之下的上地壳和下地壳各存在一个较大的地震波低速异常区域,均代表岩浆房的位置。图5b给出地幔柱供给深部热物质-下地壳形成玄武质岩浆房-上地壳形成流纹岩质岩浆房的关系示意图。然而,图5只能给出定性的理论关系。上地壳和下地壳的两个岩浆房形成的具体机制和过程?它们之间是否相互连通?为什么下地壳位置的岩浆房更大?为什么岩浆不在东蛇河平原下方聚集,而在黄石公园下方?这一系列的问题需要我们进一步研究。 

 

5  黄石公园及其相邻区域深部结构的地震层析成像结果(a)和岩浆系统示意图(b

  当然,地球科学家对黄石公园超级火山区域也进行了其他方面的研究,例如重力学研究发现火山区域存在高达-50 mgal的重力异常,GPS研究确定出其表面抬升速度以及水平运动速度和方向等。然而,现今岩浆系统如何工作才能导致这种物理状态,是岩浆本身的浮力,还是岩浆房之间的相互连通。 

  我们利用三维并行热-力学软件LaMEM研究黄石公园超级火山岩浆系统的物理机制。LaMEM由我们课题组利用有限差分方法编写而成,可以计算粘--塑性流变、自由表面、相图、重力异常等参数的变化??悸堑绞淙氩问?、计算量大,我们将LaMEM、伴随算法和重力反演相结合,用于确定影响研究区域现今岩浆系统物理状态的关键因素?;诘卣鸩阄龀上窠峁?/span>Huang,2015),我们设置了初始模型(图6a),其中地幔柱、玄武质岩浆房和流纹岩质岩浆房分别设置在地幔浅部以及上、下地壳底部,而连接它们的黑色区域则代表阀门,通过控制阀门的开关,可以控制它们之间的连通性。 

  通过计算模型中岩浆系统的有效密度,测试岩浆房的连通性、地壳和上地幔的流变属性等参数,我们得出最符合本研究区域的模拟结果(图6b)。我们研究发现,如果岩浆房之间没有连通,模型最高的表面抬升速率仅有~0.2 cm/yr;如果岩浆房之间相互连通,上地壳的流变属性为塑性,那么表面抬升速率可达~1.2 cm/yr,与观测值相符;如果岩浆房之间相互连通,地壳的流变属性为粘性,那么表面抬升速率会更高。因此,黄石公园超级火山表面抬升的驱动力不仅是岩浆本身的浮力,还需要岩浆房的相互连通以及塑性的上地壳。 

 

6  黄石公园超级火山区域岩浆系统的初始模型设置a)和计算结果(b    

  四、地球早期岩浆系统的数值模拟研究 

  下面介绍我们课题组针对地球早期岩浆系统的部分研究工作。与现代地球不同,太古代时期地幔的温度较高,导致其软流圈存在更多的熔体组分,地壳含有较高的镁。然而,现今观测到的太古代陆壳主要由英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(?tonalite–trondhjemite–granodiorite)组成,指示其源自富水和低镁的玄武岩,并不是高镁的陆壳。为什么现今不存在高镁的太古代地壳?英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩的太古代陆壳又是如何产生的? 

  2014年,我们利用地球动力学数值方法模拟太古代地壳的形成过程,已将研究结果发表在Nature Geoscience?;谔糯露冉峁购臀镏首槌?,我们利用Perple_X程序计算出其密度结果,发现较厚的地壳底部已经发生榴辉岩化,其密度大于软流圈顶部的密度值。图7a是我们计算太古代地壳演化的初始模型设置,其中白色线段代表地壳的榴辉岩化部分,蓝色区域代表其余地壳,黄色区域代表部分熔融的软流圈。我们的计算结果显示,密度较大的下地壳底部,致使其重力不稳定而发生拆沉;拆沉的地壳物质向下运移,导致模型上部形成新的地壳(绿色部分),下部粘度低的软流圈物质上涌(图7b)。上述较沉地壳拆沉-新地壳形成-软流圈物质对流的循环过程反复进行,直到模型稳定。但是,该模型存在一些缺点,例如模型演化过程中没有生成英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩的太古代陆壳等。 

    

7  太古代地壳演化的热-力学初始模型设置(a)和计算结果(b    

  基于地球化学研究结果,我们将物质的化学组分变化计算进热-力学模型中,这种模型称为岩石--力学模型。在数值模型中,每当物质部分熔融程度达到15%时,熔体被抽离;当25%或者40%的熔体被抽离后,模型物质相图发生改变;被抽离后的熔体转换为无水侵入岩和富水喷出岩。图8为太古代陆壳形成过程的岩石--力学模型研究结果。太古代地壳形成过程主要分为三个阶段,依次为孵化(图8a)、滴落(图8b/板内变形(图8c)以及稳定(图8d)阶段。在孵化阶段,温度较高的富水软流圈顶部物质首先发生部分熔融,每当熔融程度达到15%后,熔体被抽离并转化为镁铁质侵入岩和喷出岩;剩余较重的软流圈顶部物质向下运移,导致深部软流圈物质上涌并发生解压熔融,继续生成镁铁质侵入岩和喷出岩。随着镁铁质侵入岩在地壳底部不断的累积,由于其密度较大,最终会失衡向下滴落(图8b)。在滴落/板内变形阶段,镁铁质侵入岩与岩石圈地幔一起向下滴落,长英质地壳物质的比重不断增加;地壳和地幔持续冷却,地壳厚度不断增加。最终,模型进入稳定阶段,地壳长英质比重缓慢增加,镁铁质残余地壳缓慢滴下(图8d)。我们发现太古代地壳的不稳定是由镁铁质成分导致,并不是榴辉岩化。 

8  太古代陆壳形成的岩石--力学模型演化结果

  五、结语 

  最后,我对这次报告内容进行简单地总结。多次岩浆脉冲和相互连通的岩浆通道有助于岩浆在岩石圈内部的运移,而且早期地球与现今地球的岩浆系统有许多相似性。但是,岩浆系统在地球内部的运移是一个复杂的问题,仍然需要我们投入更多的精力深入研究,争取更好地理解岩浆系统的工作过程和机制。    

  【说明:本次记录基于Boris Kaus的发言整理而成,略有删减。

  主要参考文献 

  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. (链接) 

  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. (链接) 

  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. (链接) 

  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. (链接) 

 
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