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Boris Kaus: 现今和早期岩浆系统的动力学过程

作者: 时间:2019-12-18 来源:
摘要: 一、地球的岩浆体系 咱们了解到,爬升带将地表的水带入到地幔,并在必定深度发作方程反响,开释出水。爬升带的脱水反响,导致上覆地幔楔发作部分熔融,而熔体沿着某种.........

一、地球的岩浆体系 

咱们了解到,爬升带将地表的水带入到地幔,并在必定深度发作方程反响,开释出水。爬升带的脱水反响,导致上覆地幔楔发作部分熔融,而熔体沿着某种途径向上运移,让体系愈加杂乱。地幔深部发作的熔体一般是铁镁质的,但大都大陆地壳却是长英质熔体,阐明熔体的化学成分在运移进程中发作过改动。 

岩浆体系究竟怎么作业?图1a摘自2014年Grotzinger和Jordan写的一本关于了解固体地球动力学演化的书。图中显现,地球深部岩浆房的岩浆不断上涌,并在地表喷射,然后构成火山。可是,咱们并不清楚这种岩浆体系作业形式的正确性。那么将怎么断定?现在咱们有两种办法,别离为地球物理学和地质学,其间地球物理学为咱们供应当时岩浆体系的结构。2015年,Kiser等人取得圣海伦火山的纵波速度结构,实心点标明地震,色彩代表纵波速度值。图中较低的纵波速度值,或许由岩浆导致,代表岩浆的方位和形状。可是,高温或许物质差异等要素也能够构成纵波的低速反常,导致咱们不能直接确认为岩浆成因。并且,地震波的波长有几公里长,其间低于该波长的反常体无法被地球物理学成像。因而,地球物理学只能为咱们供应一幅如今地球的直接图画。下面咱们再看地质学依据。图1c显现了Terres del Paine区域的围岩和花岗岩,代表岩浆体系的一部分。地球内部的岩浆侵入到地壳,结晶后生成花岗岩,经过后期的结构改造,暴露在地表。这一杂乱岩浆结晶进程是研讨地球岩浆体系的至关重要一环。研讨标明,地球内部5%或许10%的岩浆喷出到地表,生成火成岩,而剩下95%或许90%的岩浆则保留在地球内部。地球物理研讨也发现,地壳内部不存在悉数熔融导致的岩浆房,只存在部分熔融导致的岩浆房。可是,现在咱们并没有彻底把握岩浆体系的详细演化进程。最首要的原因在于,没有树立联合地球物理学和地质学的数值模型,用于定量地模仿岩浆体系的演化进程,其间包含岩浆从地幔到地表的运移进程。近几年,咱们课题组一向做这一部分作业,现在也取得了一些效果。 

 

图1  岩浆体系示意图

二、岩浆脉冲的数值模仿研讨

咱们发现Torres del Paine区域的岩浆岩并不是均质的,其间花岗岩来自三个不同的岩浆脉冲。现在咱们能够精确地追溯出该区域多期岩浆脉冲的侵入时刻和深度,其间岩浆脉冲的侵入深度约为3千米。现在地质或许地球物理依据发现,许多区域呈现多期岩浆脉冲构成的基岩,例如阿尔卑斯和意大利北部等。下面咱们需求考虑几个问题。为什么没有发作火山?为什么岩浆发作侵入而不是喷射?这些问题的答案,咱们还不得而知。  

图2  Torres del Paine区域的地质结构图  

根据以上地质学的研讨依据,咱们使用MVEP2软件设置了二维热-力学初始模型。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℃,熔融程度到达100%;每隔几千年,在相同方位设置新的岩浆脉冲,并用不同色彩代表不同期次的岩浆脉冲。  

 

图3  数值模型初始设置和不同期次岩浆脉冲色彩

咱们选取半径10 km、时刻距离1 Myr、多期次的圆形岩浆脉冲作为参阅模型,并在模型中设置岩墙,模型演化成果如图4。咱们核算发现,温度较大、粘度较低的岩浆脉冲首要打破壳-幔鸿沟,上升到下地壳;第二个岩浆脉冲呈现后,花岗质岩浆继续上涌,鄙人地壳构成一个岩墙带;跟着屡次岩浆脉冲的继续参加,下地壳发作多个岩墙带,致使岩浆打破上-下地壳鸿沟;跟着岩墙带在上地壳不断发作,岩浆终究上涌到地壳浅部。 

经过改动花岗质岩浆脉冲的尺度、次数、距离以及岩墙扩展等,咱们得出影响岩浆运移的关键要素。假如模型中没有岩墙扩展效果,多期次岩浆无法打破上-下地壳鸿沟,无法侵入到上地壳浅部;假如模型中只要一个岩浆脉冲,岩浆向上运移很短一段距离后,会敏捷冷却,无法在上地壳构成侵入岩。因而,多期次的岩浆脉冲和岩墙扩展是岩浆体系侵入上地壳浅部的操控性要素。 

图4 参阅模型中岩浆脉冲的演化成果

三、活泼岩浆体系的数值模仿研讨 

咱们之前评论的数值模型首要根据地质学依据,下面咱们侧重评论地球物理学依据。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成果。成果显现,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反常区域,均代表岩浆房的方位。图5b给出地幔柱供应深部热物质-下地壳构成玄武质岩浆房-上地壳构成流纹岩质岩浆房的联系示意图。可是,图5只能给出定性的理论联系。上地壳和下地壳的两个岩浆房构成的详细机制和进程?它们之间是否彼此连通?为什么下地壳方位的岩浆房更大?为什么岩浆不在东蛇河平原下方集合,而在黄石公园下方?这一系列的问题需求咱们进一步研讨。 

 

图5  黄石公园及其相邻区域深部结构的地震层析成像成果和岩浆体系示意图

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讨,例如重力学研讨发现火山区域存在高达-50 mgal的重力反常,GPS研讨确认出其外表抬升速度以及水平运动速度和方向等。可是,如今岩浆体系怎么作业才干导致这种物理状况,是岩浆自身的浮力,仍是岩浆房之间的彼此连通。 

咱们使用三维并行热-力学软件LaMEM研讨黄石公园超级火山岩浆体系的物理机制。LaMEM由咱们课题组使用有限差分办法编写而成,能够核算粘-弹-塑性流变、自在外表、相图、重力反常等参数的改动。考虑到输入参数多、核算量大,咱们将LaMEM、随同算法和重力反演相结合,用于确认影响研讨区域如今岩浆体系物理状况的关键要素。根据地震层析成像成果,咱们设置了初始模型,其间地幔柱、玄武质岩浆房和流纹岩质岩浆房别离设置在地幔浅部以及上、下地壳底部,而衔接它们的黑色区域则代表阀门,经过操控阀门的开关,能够操控它们之间的连通性。 

经过核算模型中岩浆体系的有用密度,测验岩浆房的连通性、地壳和上地幔的流变特点等参数,咱们得出最契合本研讨区域的模仿成果。咱们研讨发现,假如岩浆房之间没有连通,模型最高的外表抬升速率仅有~0.2 cm/yr;假如岩浆房之间彼此连通,上地壳的流变特点为塑性,那么外表抬升速率可达~1.2 cm/yr,与观测值相符;假如岩浆房之间彼此连通,地壳的流变特点为粘性,那么外表抬升速率会更高。因而,黄石公园超级火山外表抬升的驱动力不仅是岩浆自身的浮力,还需求岩浆房的彼此连通以及塑性的上地壳。 

图6  黄石公园超级火山区域岩浆体系的初始模型设置和核算成果  

四、地球前期岩浆体系的数值模仿研讨 

下面介绍咱们课题组针对地球前期岩浆体系的部分研讨作业。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。可是,如今观测到的太古代陆壳首要由英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩组成,指示其源自富水和低镁的玄武岩,并不是高镁的陆壳。为什么如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怎么发作的? 

2014年,咱们使用地球动力学数值办法模仿太古代地壳的构成进程,已将研讨成果宣布在Nature Geoscience。根据太古代温度结构和物质组成,咱们使用Perple_X程序核算出其密度成果,发现较厚的地壳底部现已发作榴辉岩化,其密度大于软流圈顶部的密度值。图7a是咱们核算太古代地壳演化的初始模型设置,其间白色线段代表地壳的榴辉岩化部分,蓝色区域代表其他地壳,黄色区域代表部分熔融的软流圈。咱们的核算成果显现,密度较大的下地壳底部,致使其重力不安稳而发作拆沉;拆沉的地壳物质向下运移,导致模型上部构成新的地壳,下部粘度低的软流圈物质上涌。上述较沉地壳拆沉-新地壳构成-软流圈物质对流的循环进程重复进行,直到模型安稳。可是,该模型存在一些缺陷,例如模型演化进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。 

 

图7  太古代地壳演化的热-力学初始模型设置和核算成果  

根据地球化学研讨成果,咱们将物质的化学组分改动核算进热-力学模型中,这种模型称为岩石-热-力学模型。在数值模型中,每逢物质部分熔融程度到达15%时,熔体被抽离;当25%或许40%的熔体被抽离后,模型物质相图发作改动;被抽离后的熔体转换为无水侵入岩和富水喷出岩。图8为太古代陆壳构成进程的岩石-热-力学模型研讨成果。太古代地壳构成进程首要分为三个阶段,依次为孵化、滴落/板内变形以及安稳阶段。在孵化阶段,温度较高的富水软流圈顶部物质首要发作部分熔融,每逢熔融程度到达15%后,熔体被抽离并转化为镁铁质侵入岩和喷出岩;剩下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作解压熔融,继续生成镁铁质侵入岩和喷出岩。跟着镁铁质侵入岩在地壳底部不断的累积,因为其密度较大,终究会失衡向下滴落。在滴落/板内变形阶段,镁铁质侵入岩与岩石圈地幔一同向下滴落,长英质地壳物质的比重不断添加;地壳和地幔继续冷却,地壳厚度不断添加。终究,模型进入安稳阶段,地壳长英质比重缓慢添加,镁铁质剩余地壳缓慢滴下。咱们发现太古代地壳的不安稳是由镁铁质成分导致,并不是榴辉岩化。 

图8  太古代陆壳构成的岩石-热-力学模型演化成果

五、结语 

最终,我对这次陈述内容进行简略地总结。屡次岩浆脉冲和彼此连通的岩浆通道有助于岩浆在岩石圈内部的运移,并且前期地球与如今地球的岩浆体系有许多相似性。可是,岩浆体系在地球内部的运移是一个杂乱的问题,依然需求咱们投入更多的精力深入研讨,争夺更好地了解岩浆体系的作业进程和机制。  

首要参阅文献 

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

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: 47-52.  

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: 1679-1697.  

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.  

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