洋岛玄武岩的成因机制研究取得进展

近日，南方科技大学地球与空间科学系副教授景志成团队与中国地质大学(武汉)地球深层物质研究团队合作，在全球洋岛玄武岩成因机制研究领域取得重要进展，相关成果发表在《自然通信》上。

洋岛玄武岩是大洋板块内热点火山爆发产生的玄武岩。它起源于全球地幔对流引起的深层地幔热柱物质的涌动，是深层地幔的窗口。对洋岛玄武岩的化学成分和成因机制的研究，对于了解深层地幔的物理化学特性、深层物质的演变和碳循环具有重要意义。

全球洋岛玄武岩主要是碱性玄武岩。与洋中脊玄武岩相比，它具有两个主要的化学特性:贫硅和富铁。近年来，人们对碱性洋岛玄武岩的成因机制进行了大量的研究，但目前的模型一般侧重于地幔源区物质成分及其熔化过程的影响，无法同时解释碱性洋岛玄武岩的贫硅含量，以及贫硅和富铁比例的特点。

在这项研究中，研究小组专注于含碳原始岩浆在地幔中的深度演变。他们认为，原始岩浆在岩石圈底部经历的高压结晶分离过程是偏碱洋岛玄武岩贫硅富铁特性的主要原因。通过高温高压试验岩石学方法，研究小组采用大内腔多面砧压机和活塞圆柱形压机，模拟了岩石圈底部碳酸盐地幔橄榄岩熔融溶体的结晶分离过程，以及穿过岩石圈时分离溶体与地幔的反应过程。

研究结果表明，碳酸盐橄榄岩在3千兆帕的压力下，在相应深度约90公里的情况下，部分熔化形成的含碳原始岩浆首先会聚集在岩石圈底部，产生高水平的结晶差异，结晶出大量的单斜辉石和石榴子石，导致岩浆成分向低硅和高铁方向演变。岩浆中的二氧化碳成分与钙、镁和铁离子结合，正离子通过浅脱碳保留在溶体中，导致岩浆硅含量急剧下降，铁含量显著增加。

在随后的上升过程中，这些不同的偏碱岩浆会与方辉橄榄岩中的斜方辉石发生反应，吸收斜方辉石，结晶橄榄石和单斜辉石，导致岩浆成分向高硅和低铁方向演变，形成不同硅和铁含量的偏碱洋岛玄武岩。

研究小组进一步通过氧化镁、二氧化硅、三氧化铝和全铁四种主要元素在深层结晶和反应过程中的演变路径建立了定量模型，计算了世界不同岛屿玄武岩形成过程中经历的高压结晶差异水平、岩浆与岩石圈地幔的反应程度以及不同岛屿原始岩浆的碳含量。此外，他们发现世界不同岛屿地幔的潜在温度与岛屿对应的天然碱性岛屿玄武岩样品硅含量之间存在正相关性，这意味着地幔潜在温度越低，可能导致岩浆运输过程缓慢，从而促进岩浆与熔岩反应过程的高压结晶差，最终导致喷发玄武岩硅含量较低。

通过这项研究的模型，估计通过洋岛火山获得地球内部碳的流出量约为每年2000万至1.7亿吨，这意味着地球内部碳的净流出量很高，或者岩浆中的碳被保存在岩石圈中。