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NC:熔融包裹體氣相組成研究揭示大火成巖省揮發分歷史——對巖漿噴發和全球氣候影響的意義
2020-11-09 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  在巖漿上升的過程中,揮發性元素會通過影響巖漿的行為,最終控制火山爆發的時間和能量?;鹕綒怏w如CO2、CH4SO2等快速釋放到大氣圈會對全球氣候和生物系統造成毀滅性的影響(Clapham and Renne, 2019)。在地質記錄中最好的實例就是大火成巖省的巖漿活動,它們與顯生宙一些重要的生物滅絕事件同時發生,說明大火成巖?。ㄍㄟ^釋放揮發分)是全球性氣候和環境變化的潛在誘因之一。 

  大火成巖省通常以大陸溢流玄武巖為主,是特殊的板內巖漿事件,它們往往周期性地爆發、形成巨量的巖漿,導致其中揮發分脈沖式的釋放,造成大氣圈CO2快速上升以及全球氣候變暖。 

  除了擾動氣候,火山CO2對巖漿的貯存、上升和爆發也起了關鍵的控制作用,并且會驅動巖漿儲庫的穩定性和演化,控制溢流玄武巖的巖漿作用和與之相關的氣體釋放量。由于CO2的出溶會改變巖漿的物理性質(如密度,粘度和浮力),因此對巖漿上升過程也至關重要。然而,至今并沒有直接證據表明大火成巖省噴發的深部巖漿中含有大量的CO2。 

  針對上述科學問題,意大利學者Capriolo et al.2020)通過測試熔融包裹體中的揮發分(尤其是CO2),研究了地球上最大的大火成巖省之一——中大西洋巖漿?。?/span>CAMP,Central Atlantic Magmatic Province)巖漿中揮發分的噴發歷史,并進一步探討了其在巖漿噴發和全球氣候變化等方面的意義。 

  CAMP巖漿的侵位(峰值在201.6–201.1 Ma)發生在Pangaea超大陸裂解的早期,與三疊紀末大滅絕(顯生宙五大最嚴重生物危機之一)的年齡一致。CAMP玄武質巖漿通過脈沖式噴發或侵入,以高爆發率為特征,如此短且強有力的爆發會對全球氣候產生劇烈影響。該研究篩選了北美、非洲和歐洲CAMP玄武質熔巖流和巖床中超過200個侵入巖和噴發巖的樣品,綜合多項原位測試技術,研究了熔融包裹體氣泡中的揮發分。 

  研究結果表明,在超過200CAMP玄武質侵入巖和噴發巖的樣品中,約有10%發現了含氣體出溶氣泡的熔融包裹體,它們主要寄主在單斜輝石中。熔融包裹體的共焦點拉曼光譜測試結果顯示,在單個和多個氣泡熔融包裹體中都能夠檢測到CO2或者元素C(石墨和非晶質碳),但未檢測出CO、CH4、SO2H2S;在熔融包裹體的玻璃質中常能檢測到水,但是在氣泡中檢測不到水。Nano-SIMS測試結果表明,熔融包裹體的熔體玻璃中含有0.5–0.6 wt% H2O30–90 ppmCO2。作者利用氣泡中氣態CO2的密度和熔融包裹體中氣泡的體積分數計算了CO2含量,結果顯示,其含量介于0.5-1.0 wt%之間。 

  單斜輝石和熔體平衡的溫壓計算結果顯示,寄主單斜輝石結晶壓力為0.1–0.7 ± 0.2 GPa,結晶溫度為1150–1230 ± 27°C,與前人預測的整個CAMP玄武巖中單斜輝石結晶壓力的結果(0.2–0.8 GPa)一致。上述研究結果表明CAMP中的單斜輝石結晶作用主要發生在中部陸殼。 

  熔融包裹體來源于深部的推斷同樣被熔體玻璃和氣泡中的揮發分含量證實。部分熔融包裹體中出現硫化物的事實表明,被捕獲的熔體硫化物達到飽和狀態,S含量很可能超過了1500 ppm。并且,通過Nano-SIMS檢測出熔融包裹體玻璃中含有0.5–0.6 wt% H2O,揭示了熔體的含水條件。盡管熔融包裹體玻璃中出現了H2OS,但在氣泡中并沒有檢測到這些揮發分??紤]到板內的拉斑玄武質熔體含約1wt% H2O和約0.1wt% SO2,H2OSO2預計出溶壓力小于0.1 GPa(即< 3 km深度)。因此,在熔融包裹體中觀察到的玻璃和氣泡之間揮發分相的分配表明,氣體出溶和氣泡形成是一個富CO2的熔體在相對高壓的環境下發生的。 

1 CAMP玄武質巖漿從地幔到地表巖漿通道系統縮略圖(Capriolo et al., 2020

  綜上推斷的CO2出溶和捕獲深度顯示揮發分來源深度(至少)平均12 ± 7 km(圖1。因此CAMP就位過程中CO2量不僅僅來源于淺部沉積物同化和去氣作用,因為環大西洋盆地的沉積物在北美東部厚度僅為5 km,在摩洛哥和葡萄牙<1 km。相反,至少部分CO2很可能來源于深部到中部地殼變質沉積巖的同化作用,或者來自含有大量再循環沉積物質的CAMP玄武巖地幔源區(圖1。 

  利用計算獲得的捕獲深度(約12 ± 7 km)的結果,可以估算CAMP巖漿中原始CO2量。玄武質熔體中CO2在壓力0.2 GPa含量約1000 ppm條件下達到飽和,每0.1 GPa漸增500 ppm??紤]結晶深度,CAMP巖漿中估算的最少CO2含量,氣體出溶前約為500–4000 ppm。該值與熔融包裹體中CO2含量一致(0.5–1.0 wt%)。而且,用熔融包裹體中CO2含量最小計算值(0.5–0.6 wt%)代表CAMP巖漿的結果,假設玄武質巖石的平均密度為2.90 g/cm3,按照CAMP總體積為5–6 × 106 km3(同時考慮深部通道系統),可以計算出CAMP釋放的的CO2總量達105 Gt。有趣的是,估算的CAMP巖漿CO2含量(0.5–1.0 wt%)和CAMP就位過程中釋放的火山CO2總量(達105 Gt),與用不同方法估算的其它大火成巖省的結果一致。 

  CAMP熔融包裹體中含CO2氣泡可以解釋為批式上升的揮發分在其遷移和爆發之前快速被捕獲進晶粥狀態的熔漿。這是玄武質巖漿在深部發生CO2飽和的證據,也可以解釋CAMP脈沖式爆發,其中CO2扮演了巖漿上升推進劑的角色,從而引起快速和猛烈的火山爆發。大量含CO2氣泡的出現,脈沖式火山爆發和高效的CO2從玄武質巖漿中釋放,增強了CAMP在引起三疊紀末極端溫室條件的作用。揮發分釋放率在確定地表環境響應的嚴重程度上起著重要作用,更快的釋放增加了大氣中CO2的最大瞬時含量和對環境影響的嚴重性。假設CAMP玄武巖中含有0.5–1.0 wt%CO2,根據通常認為的CO2平均密度和熔融包裹體的玻璃/氣泡比值,考慮到CO2通過巖漿高效上升到大氣圈中,因此可能僅僅單個CAMP火山脈沖就可以嚴重影響三疊紀末的古氣候。事實上,單個短暫的CAMP巖漿脈沖(0.5千年噴發約105 km3)可能釋放了約5 × 1016摩爾CO2,與預測的21世紀人類活動排放量大致相同。 

  確定巖漿中揮發分含量非常具有挑戰性,本研究以熔融包裹體為研究對象計算了巖漿中的CO2含量,并證實大火成巖省周期性大量脈沖的CO2排放與三疊紀末全球氣候和環境變化直接相關,對于理解大火成巖省形成與大滅絕事件的關系非常重要;該研究另一貢獻是確定了部分去氣的C來自深部(地?;蛘咧邢碌貧ぃ?,深部C是大火成巖省巖漿就位的關鍵控制因素和環境變化的驅動者,而不是前人認為的淺部沉積巖來源CO2(如西伯利亞大火成巖?。?。    

  【致謝:感謝新生代室郭正府研究員對本文提出的寶貴修改意見】    

  主要參考文獻 

  Capriolo M, Marzoli A, Aradi L E, et al. Deep CO2 in the end-Triassic Central Atlantic Magmatic Province[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1670. (鏈接) 

  Clapham M E, Renne P R. Flood basalts and mass extinctions[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2019, 47: 275-303. (鏈接)    

  (撰稿:蔡亞春,范宏瑞/礦產室)

 
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