在過(guò)去的數(shù)百年間，人們普遍相信“巖漿房”存在于在火山地殼的內(nèi)部，如倉(cāng)庫(kù)一般儲(chǔ)藏著大規(guī)模處于熔融狀態(tài)的巖漿。但從本世紀(jì)初以來(lái)，隨著人們對(duì)火山過(guò)程和巖漿活動(dòng)的理解不斷加深，該傳統(tǒng)理論逐漸被一個(gè)新的模型所替代，即：跨地殼的巖漿系統(tǒng)主要由晶粥主導(dǎo)；火山是一個(gè)由晶粥組成的、垂直擴(kuò)展且不穩(wěn)定的系統(tǒng)，而熔融物質(zhì)僅存在于整個(gè)巖漿系統(tǒng)的最頂部。該模型的提出基于對(duì)大量現(xiàn)存火山的物理化學(xué)、巖石學(xué)、火山學(xué)研究以及地質(zhì)觀察，但對(duì)該模型的進(jìn)一步研究和驗(yàn)證遇到了許多問(wèn)題，例如現(xiàn)代地球物理成像技術(shù)無(wú)法識(shí)別地殼內(nèi)小規(guī)模（小于1 km）的熔融物質(zhì)，而元素分布的不均勻性和局域解耦現(xiàn)象也降低了地球化學(xué)手段在一些結(jié)晶歷史復(fù)雜地區(qū)的準(zhǔn)確性。這些問(wèn)題使人們對(duì)地質(zhì)過(guò)程的準(zhǔn)確描述變得困難重重。
圖1：加州長(zhǎng)谷流紋巖斑晶黑云母（Bt）的環(huán)帶
為精確解譯火山系統(tǒng)的構(gòu)造以及相應(yīng)的巖漿演化過(guò)程，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所何宏平院士團(tuán)隊(duì)的楊宜坪博士和席佳鑫博士研究生等，深入探究了長(zhǎng)谷火山地區(qū)流紋巖中黑云母斑晶的結(jié)構(gòu)和成分對(duì)其結(jié)晶環(huán)境的溫度、壓力、深度和氧逸度等條件的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，該地區(qū)的黑云母均具有成分環(huán)帶，核心區(qū)域富含Si、Mg和K，而邊緣區(qū)域則貧乏Fe、Ti和Al（圖1）。通過(guò)微區(qū)X射線衍射、拉曼光譜和透射電子顯微鏡等微區(qū)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)斑晶黑云母的核心呈現(xiàn)有序的2M1多型結(jié)構(gòu)，而邊緣則顯示無(wú)序特征（如圖2）。結(jié)構(gòu)特征說(shuō)明，樣品黑云母的核心生長(zhǎng)于高溫高壓的平衡結(jié)晶條件下，而其外側(cè)環(huán)帶則生長(zhǎng)于低壓下快速結(jié)晶的過(guò)程中。結(jié)合地球化學(xué)數(shù)據(jù)，黑云母斑晶至少經(jīng)歷兩階段結(jié)晶——即核部于高溫的深源巖漿儲(chǔ)庫(kù)緩慢平衡結(jié)晶，邊部于淺部晶粥中在二次活化和噴發(fā)過(guò)程中快速非平衡結(jié)晶——的機(jī)制得以揭示。該研究用云母的成分和結(jié)構(gòu)環(huán)帶還原了長(zhǎng)谷火山口深源巖漿由地幔和下地殼上涌至淺部地殼（以冷卻的晶粥形式儲(chǔ)存），后經(jīng)歷巖漿混合和再活化后快速噴發(fā)至地表的全過(guò)程。
圖2：透射電鏡下黑云母核部（a-b）和邊部（c-d）的結(jié)構(gòu)差異
基于上述結(jié)果，研究首次提出了火成巖深源斑晶的礦物“結(jié)構(gòu)環(huán)帶”。該特征可作為一種重要的、高敏感性的平衡指標(biāo)和溫壓計(jì)，應(yīng)用于重建巖漿火山系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶期次和環(huán)境條件中。結(jié)構(gòu)環(huán)帶和成分環(huán)帶的有機(jī)結(jié)合，可為理解流紋巖巖漿的管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及噴發(fā)歷史提供重要見(jiàn)解，為通過(guò)礦物學(xué)研究追溯火山演化提供新途徑。
圖3：長(zhǎng)谷火山口下伏巖漿通道的結(jié)構(gòu)及流紋巖漿的噴發(fā)過(guò)程
相關(guān)成果近期發(fā)表于國(guó)際地學(xué)權(quán)威期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》，該項(xiàng)研究成果獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、CAS青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息：Jiaxin Xi (席佳鑫),Yiping Yang* (楊宜坪),Huifang Xu (徐慧芳),Haiyang Xian (鮮海洋),Fabin Pan (潘發(fā)斌),Shan Li (李珊),Shuo Xue (薛碩),Yonghua Cao (曹永華),Jianxi Zhu (朱建喜),Hongping He (何宏平),Reconstruction of Magma Plumbing System and Regional Magmatic Processes via Chemical and Structural Zoning of Biotite in Rhyolite from Long Valley,CA. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2024,129(9).
論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024JB029205
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