玄武质地壳岩浆房是连接地球深部与地表火山的关键枢纽，其物理状态如何是国际研究前沿，特别是针对岩浆房的物理模型之争吸引了大量学者关注，即岩浆房是以晶粥为主的岩浆储库（magma reservoir）、还是以熔体为主的岩浆池（magma tank）。火山学家和地球物理学家基于全球活火山的观测结果普遍认为地壳岩浆房是以晶粥为主的岩浆储库，甚至提出根本不存在巨大的液态岩浆房。但一些火成岩石学家强烈质疑这一模型，地壳岩浆房中晶粥的形成机制尚不清楚，对于岩浆房形成之初以及演化不同阶段的物理状态也缺少精细矿物学制约。
近日，中国科学院广州地球化学研究所岩浆作用与成矿团队邢长明副研究员、王焰研究员与比利时列日大学Bernard Charlier博士和鲁汶大学Olivier Namur博士通过对加拿大晚新元古代Sept Iles层状岩体中橄榄石磷环带的详细研究，刻画了岩浆房初始晶粥格架，为揭示岩浆房物理状态提供了新的研究思路和方法。
Sept Iles岩体是世界第三大层状岩体，呈岩盘状产出，直径约80 km，厚度约6 km，体积约20000 km3（图1A）。岩体自下而上被分为边缘带（BZ）、层状序列（LS）、上边缘序列（UBS）和上部序列（US）（图1B），其中LS自下而上被分为MCU I-III 3个单元（图1C）。前人研究认为，MCU I是玄武质岩浆一次注入、连续分异形成，而MCU II和III的底部代表两次主要的岩浆注入和混合事件，MCU II内部至少存在6次较小规模的岩浆注入和混合事件（图1D）。
图1 加拿大Sept Iles层状岩体地质简图、样品位置及橄榄石Fo含量变化
本项研究选取层状序列不同层位的岩石和铁钛氧化物矿石开展了详细的岩相学观察，对橄榄石中扩散极慢的磷（P）元素开展了高精度电子探针面扫描分析，取得了以下新认识：
（1）橄榄石大规模不平衡结晶：橄榄石普遍发育复杂的P环带结构，包括树枝状、漏斗状、扇形环带以及不规则状（图2），揭示了岩浆房中橄榄石大规模不平衡结晶过程，是岩浆过冷却和高冷却速率导致橄榄石快速结晶的结果；
（2）“顶结晶”主导MCU I形成：岩浆房形成之初，岩浆房的顶、底和两侧与地壳围岩的温差是导致岩浆过冷却的原因，但随着结晶矿物在岩浆房底部和两侧持续堆积，高过冷度主要维持在岩浆房顶部，橄榄石自岩浆房顶部结晶并随对流岩浆不断向下堆积，形成MCU I单元；
（3）岩浆注入和混合导致不同程度过冷却：岩浆房演化过程中，高温的原始岩浆与较低温的演化岩浆之间的温差是导致岩浆过冷却的重要因素。液相线温度估算表明MCU II和III演化过程中原始岩浆与演化岩浆的温差可高达120oC，数值模拟计算表明小规模的高温原始岩浆注入将更快形成高过冷度；
（4）玄武质岩浆高温下快速冷却：通过橄榄石P环带扩散模拟计算获得了Sept Iles岩体中部的最小平均冷却速率为2.9×10-3 oC/年。对比前人报道的南非Bushveld岩体、美国Stillwater岩体以及格陵兰Skaergaard岩体的冷却速率，发现玄武质地壳岩浆房普遍存在高温（>800 oC）下快速冷却（10-2 - 10-3 oC/年）过程（图3）。
图2 MCU I单元中橄榄石的P元素分布特征. (A) 样品位置. (B-E)背散射图像. (F-I) 高精度电子探针P元素面扫描图. (J) 橄榄石晶体模型及EBSD分析结果.
图3 加拿大Sept Iles岩体与世界其他典型层状岩体的冷却速率对比
该研究提出岩浆中-高过冷度和快速冷却可导致矿物在岩浆房中大规模快速结晶，是导致初始晶粥格架形成的重要机制。岩浆房的热结构和热演化历史对矿物生长机制以及岩浆房结晶-固化方式均有重要影响。橄榄石P环带在制约镁铁-超镁铁质岩体高温结晶和冷却历史具有广泛的应用价值。相关研究成果近期发表在国际地学期刊Earth and Planetary Science Letters上，该研究受国家重点研发计划、国家基金和中科院青促会项目联合资助。
论文信息：Xing, C.-M., Wang, C. Y., Charlier, B. & Namur, O. (2022). Ubiquitous dendritic olivine constructs initial crystal framework of mafic magma chamber. Earth and Planetary Science Letters 594, 117710.
附件下载：