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项目名称:地球内部短时巨量岩浆的产生机制

 申报单位:地球科学学院   人:夏群科

 

项目简介

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地球内部短时间内(<1百万年)巨量(>百万平方公里)岩浆的形成机制一直是科学界最受争议的热点问题之一。理论上,造成地球内部发生大规模熔融的因素有四个:1)异常高温; 2)大幅降压;3)低熔点组分;4)高水含量。造成认识分歧的主要原因在于由于缺乏高质量的、可信的水含量数据而无法综合考虑这四个因素。

与日本和挪威的科学家合作,夏群科课题组利用近些年改进的反演岩浆水含量的方法,准确测定了二叠世峨眉山地区原始地幔岩浆的水含量,同时分析了源区岩石的性质及岩浆形成温度。结果表明,峨眉山地区短时间内产生的巨量岩浆来自于地球深部的富水、富低熔点组分的高温物质。这是第一个比较明确的例子显示:在地球内部短时巨量岩浆的形成过程中,四个因素都同时起了作用。

成果于2017年11月28日以“Mantle hydration and the role of water in the generation of large igneous provinces”为题在《Nature Communications》上发表。

该工作得到的主要认识是:只有当所有条件都具备了,地球内部才能在短时间内产生巨量岩浆。这为理解“地球内部如何运行?”(《Science》列举的125个科学前沿问题中的第10个)提供了新的信息。
 

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科学解读

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安静的实验室里,博士后刘佳用镊子取出一片薄薄的玄武岩切片,放进红外光谱仪中。这片样品,是大约2.5亿年前一次巨量岩浆喷发之后的产物,深灰色的切面上,分布着一些边缘模糊的白色小点。正是这些不起眼的小点,藏着超级火山的成因“密码”。

浙大地球科学学院夏群科教授说,火山成因的“密码”,是用水“写”成的。

成因之“谜”:水

超级火山是最为暴烈的地球运动,在超级火山面前,我们熟知的西西里岛火山、夏威夷火山和菲律宾火山等可谓是小巫见大巫,只可称作“小火山”。小火山的喷发量每次在一立方公里左右,而超级火山一次喷发至少一千立方公里,规模相当于1000座小火山同时喷发,并且可持续100万年以上。

如今的地球,分布着历次超级火山喷发的遗迹——大火成岩省。通过对大火成岩省地质年代的调查,人们发现,地球历史上的生物大灭绝,与大火成岩省的形成年代有着精确的对应关系,每次超级火山爆发,会引发30—40%的物种从地球上消失。让人类不安的是,“恶魔”的爆发是有规律的进行的,大约每隔1000—2000万年,“恶魔”就要爆发一次。

若要预测超级火山,首先要摸清超级火山的形成机制:短时间内,巨量的岩浆是怎么产生的呢?目前,科学界公认影响岩浆的产生取决于四大因素:温度、压力、岩石成分和水。前三种因素,科学界已有可靠的办法来测定。唯独水的因素最难捉摸,之前的方法,操作难度大、误差大。

“许多科学家都提出水对岩浆的形成至关重要,如果我们没法测定水的含量,就没法进一步评估和模拟水的影响。”夏群科说。


读石测水

夏群科课题组采集一些来自我国西南部峨眉山大火成岩省的玄武岩样品。大约2.5亿年,中晚二叠纪发生过一次超级火山喷发,它影响着我国西南地区的海陆变迁,沉积以及成矿作用,同时也可能导致了二叠纪全球气候变化和生物大灭绝事件。

玄武岩是由地幔深处的物质熔融后形成的岩浆,喷出地表经过分凝、冷却而来。玄武岩样品,乍一看是一块深灰色致密的石头,仔细分辨,上面镶嵌着一些发白的亮晶晶的颗粒。这便是单斜辉石。夏群科说,岩浆在冷却过程中,一些原子会排列成有序的晶格,形成矿物。在这一过程中,水以OH羟基的形式进入矿物晶格。

课题组找到 一种方法,通过测定单斜辉石中的水含量,从而准确反演出原始岩浆的水含量。“我们发现,超级火山的岩浆含水量,要比普通含水量高出几十甚至上百倍。”夏群科说。大量的水从何而来?科学家进一步研究发现:这是在地球板块运动过程中,大洋板块俯冲插入地幔而带入的水。“巨量岩浆中的水,来源于俯冲板块历经脱水后进入地幔的残余板块携带的流体。”

有了高质量的、可信的水含量的数据,科学家得以完整考虑超级火山的形成机制。这样,科学界终于可以全面地界定与分析超级火山形成的原因与机制。夏群科课题组在Nature Communications发表论文,全面阐述了地球上大火成岩省的成因:温度、压力、岩石性质与水,四大因素必须同时具备,才能形成超级火山。“只有当所有条件都具备了,地球内部才能在短时间产生巨量岩浆。“夏群科说。我国的峨眉山大火成岩省,成为印证这一学说的第一个案例。

超级火山可以预测

超级火山大约每1000到2000万年发生一次,最“年轻”的遗迹是位于哥伦比亚河区域的大火成岩省,形成于约1600万年前,就是今天美国黄石国家公园所在之地。

“普通火山和超级火山不同,普通火山只要四个因素中的一个或几个起作用就能产生,而超级火山必须四个因素同时具备。”夏群科说,这样使得超级火山的预测称为可能。“我们知道,超级火山的岩浆需要大量的水,这些水是由板块俯冲从地表带入地幔的。我们可以由此推断,超级火山,必然产生于曾经或者正在发生板块俯冲的地方或者附近”。

夏群科说,课题组下一步将与欧洲和日本科学家合作,研究考察世界不同区域的大火成岩省,进一步检验与完善这项研究结果。超级火山不仅是引发地球巨变的“恶魔”,它也为人类带来了丰富的矿产资源。大火成岩省都是矿产资源丰富之地,著名的攀枝花铁矿,就位于峨眉山大火成岩省区域。“对于大火成岩省形成机制的研究,将帮助人类更好地去发现新的矿产资源。”
 

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项目团队

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该项目负责人为地球科学学院的夏群科教授(2012年国家杰出青年基金获得者),其团队成员包括多位海外归来的年青学者。项目的合作者为有长期合作关系的日本北海道大学的Takeshi Kuritani教授和芬兰奥陆大学的Eero Kanski教授,他们都是研究岩浆活动的国际知名学者。

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  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-18
    1
    评论内容:Nice work! 水是地球星球生命活动之源泉!
  • 评论人:邓素清 评论时间:2018-04-18
    1
    评论内容:年轻的团队,精彩的科研内容,赞!
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-18
    1
    评论内容:在悠久的地球历史时期,短时巨量的火山岩喷发,就像地球打的一个“喷嚏”一样,它的成因从以前的猜测,变成了世界首个案例的证实,是一次巨大的进步。而纵观地球历史,这样的“喷嚏”还有很多,它对地表生物的影响不言而喻,人类是否能逃掉地球的“喷嚏”的魔咒,还要看人类对于它的了解。那么它的成因,影响,是否可预测就显得尤为重要。未来的路还很长,需要不断探索,路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:很有趣
  • 评论人:郑嘉丽 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:好
  • 评论人:孙浩 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:超级棒,打call
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:赞
  • 评论人:黄道 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:看来地球上涉及水的机制都比较难研究啊
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-16
    0
    评论内容:超级火山不仅是引发地球巨变的“恶魔”,它也为人类带来了丰富的矿产资源。
  • 评论人:高石宝 评论时间:2018-04-16
    0
    评论内容:相关研究还包括2016年在Scientific report 发表的“High water content in primitive continental flood basalts”一文,算该领域前沿研究了!