发布时间：2023-02-11 浏览次数：10
双峰式火山作用是指同时代的火山岩以玄武岩和流纹岩为主，而中性火山岩相对缺乏（即“Daly间断”）。双峰式岩浆作用的发育与岩浆的产生、储存、分异和喷发等多种动力学过程有关，对深入理解岩浆作用过程具有重要的意义，因此自R.A. Daly (1925) 首次报道以来吸引了许多学者的关注，但还存在诸多争议和亟待解决的问题。目前普遍认为双峰式岩浆作用的发育与部分熔融源区（即地幔岩石部分熔融产生玄武质熔体，地壳岩石部分熔融产生酸性熔体）或分离结晶过程（即存在熔体抽离的最佳窗口，中性熔体抽离的概率较低）有关。然而，长期认识而不能解释的现象是，双峰式火山作用只发育于特定的构造背景下（如伸展的大陆裂谷和热点）而在其他构造背景下（如大陆弧）则很少见。如图1所示，大陆裂谷或热点（如东非大裂谷和美国Yellowstone热点）以发育典型的双峰式火山岩为特征，贫晶体的流纹岩常见；而典型大陆弧（如南美洲Andes弧和北美洲的Cascades弧）一般发育大量富晶体的中性火山岩（包括安山岩和英安岩），贫晶体的流纹岩相对较少，尽管大陆弧熔体包裹体与大陆裂谷/热点熔体包裹体同样具有双峰式的成分分布。
图1 典型大陆弧以及大陆裂谷/热点构造背景火山岩SiO2和斑晶含量分布.
研究表明，不同构造背景下岩浆作用的一个本质差异是与岩浆在地幔产生的方式有关：大陆裂谷/热点之下地幔减压熔融形成贫水的岩浆；而大陆弧之下俯冲板片释放的流体导致地幔加水部分熔融形成富水的岩浆。因此，岩浆H2O可能是制约大陆背景下双峰式火山作用发育的关键因素。岩浆H2O显著影响岩浆动力学过程和喷发能力，但存在两种相悖的观点：一种观点认为，富水岩浆储库在经历岩浆补给后容易发生对流、混合，因而岩浆易于喷发；而相反的观点认为富水岩浆在上升过程中的脱气作用可以诱发岩浆大量结晶，导致岩浆粘度大大增加，进而降低岩浆喷发能力。为解决这一问题，我们模拟了岩浆上升通道中气-液两相流体动力学，并利用热传导模型制约岩浆上升的临界最小速率，以评估岩浆H2O对岩浆喷发能力的影响。结果表明，在合理的参数变化范围内，尽管岩浆在上升过程中脱气及其引起的结晶大大增加了岩浆的粘度，但是粘度增加导致的速度下降可以通过囊泡化作用所引起的密度下降来补偿。岩浆的喷发性在较大程度上与岩浆进入通道底部时的初始粘度有关，蒙特卡洛模拟进一步定量制约岩浆喷发的初始粘度阈值约为106 Pa s（高于此值岩浆的喷发概率显著降低，图2）。
图2 （a）结合岩浆气-液两相流体动力学和传热过程的蒙特卡洛随机模拟定量制约岩浆喷发概率；（b）岩浆喷发概率曲线，其与收集的全球火山岩岩浆粘度数据变化趋势较接近.
进一步综合全球上百座火山岩浆喷发前的温度和熔体水含量、熔体包裹体成分和斑晶含量等数据以计算火山的岩浆粘度，结果表明，大陆裂谷或热点火山岩中的流纹质熔体的H2O含量在相同温度下比大陆弧火山岩流纹质熔体低~1.5 wt%，导致前者熔体粘度比后者高一个数量级（分别为~105.5±0.2和~104.5±0.2 Pa s）。熔体粘度的这种差异导致：1）大陆弧岩浆储库中强烈的对流和高的混合效率，使得晶粥活化和均一化，形成大量可喷发的富晶体中性岩，这些富晶体（可达~50%）岩浆不超过粘度阈值而可以喷发形成大量富晶体的安山岩和英安岩（具有流纹质粒间熔体），于是大陆弧岩浆不具有双峰式的成分特征；2）大陆裂谷或热点背景下，流纹质熔体喷发时不能携带较多晶体，于是形成大量贫晶体（＜30%）流纹岩，因此双峰式成分特征得以显现。
因此，这项研究揭示了岩浆中H2O的重要作用，岩浆H2O制约了岩浆动力学过程并塑造了大陆火山岩成分的多样性。该成果近期以“H2O-Controlled Eruptive Filtering on the Bimodality of Continental Volcanism across Tectonic Settings”为题发表于Journal of Petrology，并被遴选为“Editor’s choice”论文。该论文通过国际合作研究完成，赵凯博士为论文的第一作者，徐夕生教授为通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF0800404）和国家自然科学基金（41903027, 41930214）的资助。
论文链接：
https://academic.oup.com/petrology/advance-article/doi/10.1093/petrology/egad006/6998540?login=false