【前沿報道】Science、Nature Geoscience：冰島近莫霍面處岩漿存儲千年及其快速運移至地表的研究
Mutch等人在礦物溫壓計研究的基礎上，利用貝葉斯反演擴散計時法，深入研究了冰島北部Borgarhraun火山噴發物中橄欖石和尖晶石晶體Cr-Al的擴散模式，結果表明，在Borgarhraun火山噴發前，儲存在莫霍面深度的岩漿已經滯留了數千年，岩漿從24公里的莫霍面深度上升至地表，大約需要10天。上述認識對開展活動火山的監測與災害評價研究均具有重要意義。
來自莫霍面附近深度的岩漿注入與岩漿混合通常被認為是火山噴發的重要觸發機制。然而，由於上升的岩漿在中上地殼易於產生成分分異與演化（包括地殼混染和分離結晶等），因此人們很難有效地研究來自莫霍面深度岩漿的上升、運移與演化過程，這也是多年來國際火山學界一直困惑的科學難題，並因此阻礙了有效開展火山噴發機制與監測、預測研究的進程。
劍橋大學的Mutch等研究人員，針對上述科學問題，從系統的巖相學研究出發，結合貝葉斯反演擴散計時技術，通過對冰島北部大約一萬年前Borgarhraun火山（圖1）噴出的、結晶於莫霍面附近的早期堆晶體中橄欖石和尖晶石的Cr-Al擴散特徵研究，有效避開了中上地殼對於火山噴出的岩漿及其斑晶成分的影響，定量刻畫了玄武質岩漿上升、運移以及穿過整個地殼等過程的精細特徵，從而成功地解決了上述科學難題。該研究成果近期在Nature Geoscience和Science刊物相繼發表。
圖1 Theistareykir火山近莫霍面處岩漿的結晶過程。
a. Borgarhraun火山區的岩漿形成示意圖。b. Borgarhraun火山區的岩漿深度估算結果。不同顏色的核密度估計(KDE)分佈曲線指示了不同的單斜輝石-熔漿平衡壓力計的估算結果；藍色KDE和灰色KDE分佈區域分別對應兩組不同壓力計的估算結果；黃色的菱形符號代表了OPAM壓力計的估算結果；紅色實線表示CO2溶解度曲線；黑色虛線表示Borgarhraun岩漿中CO2出溶的位置（Mutch et al. , 2019a）
（1）
通過對橄欖石礦物的研究，獲得冰島Borgarhraun火山岩漿的上升速度。首先根據橄欖石晶體中Al元素的特點，將橄欖石劃分為兩組：第一組稱為Al-decoupled的橄欖石，第二組稱為growth-dominated橄欖石。第一組橄欖石晶體中XFo與Al呈現明顯解耦關係，指示其同時受晶體生長和擴散的控制；第二組橄欖石晶體中XFo與Al出現明顯的線性相關關係，指示其主要受晶體生長的影響。在此基礎上，利用前人提出的FEniCS模式（Alnes et al. , 2015），建立了橄欖石中多元素（Fe-Mg、Ni、Mn）一維擴散有限元模型，進一步結合嵌套抽樣貝葉斯反演技術，成功估算了在火山噴發過程中，岩漿中的晶體從結晶直至上升到地表的時間。最後，利用擴散模型獲得岩漿上升的時間尺度（圖2），並結合礦物壓力計的估算結果(～24 km)，計算出冰島Borgarhraun火山的岩漿上升速度為0.02～0.1 ms-1（Mutch et al. , 2019a）。
圖2 Theistareykir火山岩漿運移的時間尺度。a. 累積頻率分佈圖，圖中曲線表示了利用貝葉斯反演估算的橄欖石晶體上升與運移的時間，灰線是單個橄欖石晶體模型的分佈，全球平均數值（黑線）的中值時間為12.6天，growth-dominated晶體剖面（藍線）的中值時間為7.2天，Al-decoupled晶體剖面（紅線）的中值時間為16.4天。b, c. 溫度-時間密度分佈圖，顯示了文中所述的兩個不同晶面的後驗概率分佈，在座標軸上顯示為藍色直方圖。考慮到擴散速率與溫度之間的阿倫尼烏斯關係，溫度與時間之間也存在著明顯平衡的指數關係（Mutch et al. , 2019a）
（2）通過對尖晶石礦物的研究，獲得火山噴發前岩漿的存儲時間。在顯微巖相學觀察和礦物溫壓估算的基礎上，作者提出，具環帶結構的尖晶石礦物的邊緣成分與晚期溫度較低的晶粥體之間存在著平衡關係（其平衡溫度為1215 ℃），尖晶石晶體的核心成分（Cr#為0.4）與早期溫度較高的晶粥體之間存在平衡關係。進而利用FEniCS模式，建立了尖晶石中Cr-Al交換的二維擴散模型，結合嵌套抽樣貝葉斯反演技術，最終可以獲得岩漿的存儲時間尺度。作者通過對冰島Borgarhraun火山噴發物中3個堆晶體的7件尖晶石礦物晶體（見圖3中的7條灰線）的精細研究發現，該火山區岩漿存儲時間的中值為1400年；超過90%的計算結果顯示岩漿的存儲時間在4100年以內。另外，Mg在斜長石平衡過程中的時間尺度提供了岩漿存儲時間的最小值（～570年），這與該研究通過尖晶石模型獲得的存儲時間（見圖3中的綠色區域）相吻合（Mutch et al. , 2019b）。因此，作者通過尖晶石中Cr和Al的擴散規律的研究，最終獲得冰島Borgarhraun火山的玄武質岩漿在殼幔邊界儲存了約數千年的結論。
圖3 岩漿在近莫霍面深度存儲時間的估算結果。累積頻率分佈顯示了貝葉斯反演估算的岩漿儲集時間，灰線是利用單個尖晶石晶體的數據經過模擬計算獲得的結果，黑線是利用模型計算獲得的所有尖晶石晶體的累積頻率分佈曲線，藍色虛線和藍色箭頭分別是利用斜長石中Mg的平衡模擬獲得的岩漿存儲時間的最小值及其變化範圍，淺綠色區域是利用三維球面擴散模型獲得的存儲時間（Mutch et al. , 2019b）
本文開展的下地殼玄武質岩漿存儲時間的估算，對於理解在不同構造背景下岩漿上升、穿過地殼運移的時間尺度具有重要意義，包括洋中脊和洋島（如冰島和夏威夷）以及下地殼由鎂鐵質、超鎂鐵質的岩漿作用主導的大陸弧（如巴基斯坦的Kohistan弧）等構造背景。目前島弧下地殼中的岩漿儲存時間還未有限制，因此該研究成果對於其它鎂鐵質岩漿系統在近莫霍面處存儲時間的限定具有一定的指導意義。計算岩漿的存儲時間也有助於我們理解和確定岩漿從源區運移至地表的機制。Mutch等人表示，相較於地下深處存在一個大型岩漿房的傳統火山機構模型，它更像是一個穿過地殼的火山管道系統，並帶有許多小的“噴口”，可以將岩漿迅速轉移到地表。
主要參考文獻
1.Alnes M, Blechta J, Hake J, et al. The FEniCS project version 1.5[J]. Archive of Numerical Software, 2015, 3: 9–23.
2.Mutch E J F, Maclennan J, Shorttle O, et al. Rapid transcrustal magma movement under Iceland[J]. Nature Geoscience, 2019a, 12: 569-574.
3.Mutch E J F, Maclennan J, Holland T J B, et al. Millennial storage of near-Moho magma[J]. Science, 2019b, 365 (6450): 260-264.
（撰稿：李菊景，馬琳/新生代室）
美編：徐海潮
校對：張 崧
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