近日，南方科技大學(xué)地球與空間科學(xué)系副教授景志成團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球深部物質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)，在全球洋島玄武巖的成因機(jī)制研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《自然—通訊》。
洋島玄武巖是大洋板塊內(nèi)部熱點(diǎn)型火山噴發(fā)所形成的玄武巖，起源于全球地幔對流導(dǎo)致的深部地幔熱柱物質(zhì)上涌，是深部地幔的窗口。研究洋島玄武巖的化學(xué)組成和成因機(jī)制對于認(rèn)識深部地幔的物理化學(xué)性質(zhì)、深部物質(zhì)演化和碳循環(huán)都具有重要意義。
研究示意圖。南科大供圖
全球洋島玄武巖以堿性玄武巖為主，與洋中脊玄武巖相比，具有貧硅和富鐵兩個(gè)主要化學(xué)特征。近年來，人們對堿性洋島玄武巖的成因機(jī)制進(jìn)行了大量研究，但現(xiàn)有模型通常偏重于考慮地幔源區(qū)物質(zhì)成分及其熔融過程的影響，尚無法同時(shí)解釋堿性洋島玄武巖的貧硅含量、以及貧硅和富鐵比值的特性。
在該研究研究中，研究團(tuán)隊(duì)聚焦地幔含碳原始巖漿的深部演化過程，他們認(rèn)為，原始巖漿在巖石圈底部所經(jīng)歷的高壓結(jié)晶分異過程，是造成堿性洋島玄武巖貧硅富鐵特征的主要原因。研究團(tuán)隊(duì)通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)方法，利用大腔體多面砧壓機(jī)和活塞圓筒型壓機(jī)，分別在3千兆帕與1千兆帕力條件下，模擬了碳酸鹽化地幔橄欖巖部分熔融熔體在巖石圈底部的結(jié)晶分異過程，以及分異熔體在上穿巖石圈時(shí)與地幔的反應(yīng)過程。
研究結(jié)果顯示，碳酸鹽化橄欖巖在3千兆帕壓力，對應(yīng)深度約為90千米的條件下，部分熔融形成的含碳原始巖漿會首先在巖石圈底部聚集，并發(fā)生高程度結(jié)晶分異，結(jié)晶出大量的單斜輝石和石榴子石，并導(dǎo)致巖漿成分向低硅、高鐵的方向演化。巖漿中的二氧化碳組分會與鈣、鎂和鐵離子結(jié)合，并通過淺部脫碳作用將陽離子保留在熔體中，從而導(dǎo)致了巖漿硅含量的急劇降低和鐵含量的顯著升高。
這些分異后的堿性巖漿，在隨后的上升過程中會在淺部巖石圈地幔中與方輝橄欖巖中的斜方輝石發(fā)生反應(yīng)，吸收斜方輝石并結(jié)晶橄欖石和單斜輝石，導(dǎo)致巖漿成分向高硅、低鐵方向演化，最終形成具有不同硅和鐵含量的堿性洋島玄武巖。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過氧化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁和全鐵四種主量元素組分在深部結(jié)晶和反應(yīng)過程中的演化路徑建立了定量模型，計(jì)算得到了全球不同洋島玄武巖形成過程中，所經(jīng)歷的高壓結(jié)晶分異程度、巖漿與巖石圈地幔的反應(yīng)程度，以及不同洋島原始巖漿的碳含量。另外，他們發(fā)現(xiàn)全球不同洋島地區(qū)的地幔潛在溫度與所在洋島對應(yīng)的天然對堿性洋島玄武巖樣品硅含量之間存在正相關(guān)性，這意味著越低的地幔潛在溫度可能導(dǎo)致越慢的巖漿運(yùn)移過程，從而促使巖漿能夠發(fā)生更加充分的高壓結(jié)晶分異與熔巖反應(yīng)過程，最終導(dǎo)致噴發(fā)的玄武巖具有更低的硅含量。
通過這項(xiàng)研究的模型，可以估算得到地球內(nèi)部碳通過洋島火山作用向外流出的通量約為每年2000萬至1.7億噸，這意味著地球內(nèi)部碳具有較高的凈流出量或者有巖漿脫出的碳被儲存在巖石圈中。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60619-2
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