几亿年前火山喷发的真相,它为你揭晓!

作者: 王禹权

来源: 科学大院

发布日期: 2018-08-21

本文详细介绍了熔融包裹体在研究古岩浆活动中的重要性,包括其形成过程、化学成分分析方法及其在恢复古岩浆温度和挥发分含量中的应用。通过这些研究,科学家们能够更好地理解地球上火山地貌的形成和演化。

从5月以来,美国夏威夷大岛(Big Island)的基拉危厄火山持续喷发了2个多月。这最新一轮的火山爆发产生了大量的熔岩,熔岩源源不断地从火山侧翼的火山通道喷出,并向下滑动至夏威夷岛屿海岸线处,最终进入海洋。这一结果不仅使夏威夷被海水侵蚀的海岸线重新复原,甚至还使其面积增大,进而延长了岛屿的寿命。

自地球形成以来,经历了无数次这样的火山喷发,才产生了现在各式各样的岛屿奇观。我们无法乘坐时光机回到几亿年前的地球上去了解这些景观是如何形成的,喷出地表的熔岩经过了数百万年的风化侵蚀,其成分较形成之初也不可避免的有所改变,那么我们是否还能了解到远古时期,某次岩浆活动的真实面目呢?那就要借助熔融包裹体了。

矿物中的流体包裹体是流体(含气相和液相的流体或硅酸盐熔融体)在矿物结晶生长过程中,被包裹在矿物晶格缺陷或穴窝中的、至今尚在主矿物中封存并与主矿物有着明显相的界限的那部分物质。包裹体的物质来源可以是与宿主矿物无关的外来物质或是与宿主矿物相同物质。包裹体的成分多样,形态各异,既有由单一固相、液相或气相组成的单相包裹体,还有由二种或三种相态组合形成的多相包裹体。

熔融包裹体是流体包裹体的主要种类之一,是被捕获在岩浆岩造岩矿物中的硅酸盐熔体小泡或小珠滴,它们在被寄主矿物封存后,呈玻璃质或结晶质,还可能含有气相,是原始岩浆的残留相,对研究原始岩浆的演化具有重要意义,也是我们能探究古岩浆事件的最直接证据。

了解岩浆的化学成分是我们研究古岩浆的首要任务。笔者从新西兰新生代的汤加里罗(Tangariro)火山群中的一个破火山口中采集了典型的玄武安山岩样品。在主要造岩矿物斜长石和辉石中,可观察到各种形态的熔融包裹体,它们和周围的主矿物具有明显的相的界限,包裹体的大小由几微米到几十微米不等。

对于熔融包裹体这样微米级别的珍贵样品,我们当然不忍心去破坏它,于是非破坏性的拉曼光谱就成为分析熔融包裹体化学组成的首选。其基本原理是印度物理学家C.V.Raman在1928年发现的拉曼散射,即利用光子与分子相互作用引发光子频率改变,去获得分子结构信息,这种结构信息就会在光谱图上展现出不同位置的特征峰值。

地质学家们还会通过高温热台(可加热到1500℃)对熔融包裹体进行加热,试图得到岩浆的温度。包裹体测温学假设包裹体被捕获后,在冷却的过程中完好保存,不会受到破坏,直至现在的模样。当我们对熔融包裹体进行加热,相当于在进行一个与熔体冷却相反的过程。因此,当包裹体中不同的相(气相,液相,固相)完全均一至一相时,可以认为岩浆已经恢复了其原有的样貌,进而该温度可以认为是熔融包裹体被捕获时的最低温度。

岩浆在喷出地表的过程中会发生冷却,岩浆中所含的化学成分就会按照一定的相规律结晶形成矿物,但是正如世界上没有完美的东西一样,矿物并不是完美无瑕的,它们会有这样和那样的晶格缺陷,未冷却的岩浆就会进入到这些晶格的缺陷中,被晶格缺陷所捕获,随着矿物的结晶,这些微小的岩浆没办法从晶格缺陷中逃逸出去,只能乖乖地在这些“狭缝”中冷却。

熔融包裹体作为古老岩浆留下的珍贵的残留,给我们提供了相当多的信息,包括古岩浆的化学成分,挥发分含量,岩浆温度等等。这些对于研究古岩浆的演化过程具有相当大的意义,也是我们弄清楚地球上具有如此丰富多彩的岩石和壮观的火山地貌的重要依据。

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