學者提出兩階段模型解釋夏威夷造盾期玄武巖成因

　　近日，中國科學院廣州地球化學研究所博士侯永勝在研究員李洪顏、王煜和徐義剛等人的指導下，研究揭示了熔體-巖石圈地幔高溫反應實驗約束夏威夷造盾期巖漿成因機制。相關成果發表于《地球物理研究雜志：固體地球》（Journal of Geophysical Research：Solid Earth）。

　　板塊俯沖和地幔柱活動是維系地球活力和實現地球層圈間物質循環的兩大重要機制。洋島玄武巖通常被認為是研究深俯沖物質再循環與地幔柱活動的理想對象，夏威夷島造盾期玄武巖是其中的典范。經典模型認為，俯沖榴輝巖物質隨地幔柱上升時，榴輝巖熔體與軟流圈地幔橄欖巖由于化學不平衡發生反應，首先生成二次輝石巖，隨后二次輝石巖熔體與地幔橄欖巖熔體按不同比例混合，導致夏威夷造盾期巖漿地球化學成分的多樣性。

　　二次輝石巖模型可以解釋造盾期拉斑玄武巖高氧化鎂、低氧化鈣/氧化鋁、高鎳含量和同位素富集等地球化學特征，但無法系統解釋冒納羅亞火山和冒納凱阿火山兩座火山的地球化學組成區別：盡管冒納羅亞火山相較于冒納凱阿火山的巖漿具有更低的氧化鈣/氧化鋁，且同位素組成更富集，但兩者的全巖和橄欖石斑晶中的鎳含量卻極為相似。經典模型忽視了榴輝巖/輝石巖熔融產生的熔體在遷移過程中與巖石圈地幔的反應。

　　該研究開展了一系列高溫高壓實驗，模擬地幔柱環境下熔體與貧瘠方輝橄欖巖地幔的反應。研究表明，在高溫條件下，富硅熔體通過溶解橄欖石并沉淀斜方輝石的方式與巖石圈地幔發生反應，高溫、長反應時間以及低熔巖比等條件會加劇反應程度；富硅玄武質熔體與方輝橄欖巖在高溫下反應可以演化為貧硅苦橄質熔體，在非平衡反應條件下（反應時間為2小時），殘余熔體成分受橄欖石溶解、斜方輝石沉淀以及擴散作用的共同控制，隨后在由非平衡向平衡反應的轉換過程中（反應時間由2小時至24小時），殘余熔體成分主要受擴散作用影響；榴輝巖熔體與巖石圈地幔方輝橄欖巖反應可以直接產生高二氧化硅、氧化鎂和鎳，低氧化鈣/氧化鋁的殘余熔體，類似夏威夷造盾期拉斑玄武巖。

　　基于實驗結果，研究人員提出了新的兩階段模型來解釋夏威夷造盾期玄武巖成因：在軟流圈地幔形成的榴輝巖/輝石巖熔體，在向上運移過程中與貧瘠的方輝橄欖巖地幔發生反應，其中冒納凱阿火山相較于冒納羅亞火山，熔巖比更低（第一階段）；隨后反應熔體在淺部與橄欖巖熔體發生巖漿混合，其中冒納凱阿火山相較于冒納羅亞火山，橄欖巖熔體比例更高（第二階段）。兩個階段對熔體中的鎳含量具有均衡作用，導致冒納凱阿火山和冒納羅亞火山的巖漿和橄欖石斑晶具有相似的鎳含量。

　　該研究為理解地幔柱活動及其相關物質循環機制提供了新的視角。

　　相關論文信息：https://doi/10.1029/2023JB028467