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杨林,Dec. 7, 2022
【科学问题】
洋中脊是地幔岩浆上涌形成新洋壳的场所，其喷发的多是化学组成均一的玄武岩(MORB)，少数是高硅熔岩, 包括英安岩和安山岩。这些高硅熔岩反常且在多处存在，拥有彼此相似却不同于MORB的地球化学特征，一般认为其成因与洋脊的不连续区域密切相关（如东太平洋洋脊重叠扩张中心、胡安德富卡洋脊传播脊尖以及拉帕戈斯洋脊传播中心）。对于非洋脊系统的高硅熔岩，前人曾对其成因进行详细研究，观点主要有以下三种：原始岩浆在岩浆房及上升演化过程中，经历（1）广泛的分离结晶（2）地壳的部分熔融（3）壳源物质的混染这些过程中的一种或者几种所形成的。洋中脊高硅英安岩的形成是否如以上观点所说还是另有原因？为何多形成于洋脊特殊的构造位置？这些问题仍不清楚。
【研究内容】
东太平洋洋脊、胡安-德富卡洋脊以及加拉帕戈斯洋脊具有十分相似的化学组成及特征，应是受控于相同的演化过程，因此Wanless et al. 重点对研究程度较高的东太平洋洋脊重叠扩展中心的英安岩展开研究。这些英安岩拥有相对较高的U、Th、Zr和Hf，以及较低的Nb和Ta以及平坦的REE模式。此外，还拥有高的Cl、K（和高的Cl/K）、Al2O3和低的P2O5，因此其成因模式应同时满足以上地球化学特征。作者首先利用分离结晶模型和部分熔融模型模拟了岩浆演化过程，模拟结果却与观测结果不尽相同。随后作者提出利用EC-AFC模型解释英安岩的地球化学特征，其基本假设为：1. 岩浆大量分离结晶，结晶潜热释放并加热围岩；2. 围岩温度达到固相线发生部分熔融熔体并加入岩浆；3. 混染后的岩浆边冷却结晶边同化围岩，最后喷出冷却。相比于传统的AFC模型，作者考虑了同化过程受到分离结晶释放的潜热约束。
73~85%的分离结晶以及5~20%围岩的部分熔融
玄武岩地壳的不同程度的热液蚀变会导致海洋岩石中流体流动元素和低质量同位素比率的显著变化，这取决于水/岩石比率。因此，对海水相互作用特别敏感的成分，如Cl、U、H2O和氧同位素，可用于确定MOR岩浆作用中地壳同化的程度。挥发分元素的含量也能提供海底脱气信息以及形成及喷发深度。
在玄武岩熔体中，CO2比H2O更容易脱气。许多MORB玻璃在其海底喷发深度处CO2过饱和，这表明岩浆上升速度足够快，CO2扩散速度足够慢，并且岩浆在喷发时迅速熄灭，这会抑制CO2与海底压力的平衡，因此可用CO2浓度对应的饱和蒸汽压近似其形成深度。在热液循环中由于次生含水矿物的形成，新鲜熔岩中H2O浓度的升高可能是蚀变洋壳同化的重要标志，然而H2O浓度也可能也会受到脱气作用的影响，导致其浓度发生改变。
轻O同位素在镁铁质硅酸盐中富集，在铁钛氧化物中强烈富集。因此根据分离结晶模型，经历了广泛分离结晶后高度演化的岩浆δ18O在6.8‰，然而观测结果却偏轻~1‰，这需要轻O同位素端元的加入。在海水（δ18O=0）和原生岩浆矿物（例如，橄榄石、斜辉石和斜长石的δ18O~5.2–6.1‰）之间氧同位素的温度依赖性分馏导致高温热液蚀变期间洋壳的δ18O大量减少，但在低温蚀变期间，δ18O增加。席状岩墙和辉长岩层的δ18O变化很大，但赫斯深部片状岩脉的平均值为5.1‰（Gillis et al.，2001），低至2.9‰（Agrinier et al.，1995），与5.6‰的地幔值相比偏低，即使部分熔融会导致δ18O变重~1‰，熔体相对于地幔值来说仍然偏轻。
分离结晶应导致高演化的英安质熔岩中δ18O值增加0.5–1.5‰
改变分馏岩浆与同化物的比例（Mf/Ma为2:1至4:1）或同化物的δ18O值（2.9‰至6‰）可以在生成的岩浆中产生一系列成分。假设演化的岩浆的δ18O为6.8‰（主要是由铁镁硅酸盐和铁氧化物的分馏）和δ18O为3.4‰~5.6‰的同化物（由δ18O2.9‰~5.1‰的蚀变玄武岩部分熔融），则生成的岩浆的氧同位素比率将在5.8‰~6.5‰之间。
【参考文献】
1. V.D.Wanless, M.R.Perfit, W.I.Ridley et al (2010). Dacite Petrogenesis on Mid-Ocean Ridges: Evidence for Oceanic Crustal Melting and Assimilation. Journal of petrology, Volume 51, Page: 2377-2410.
2. VD.Wanless, M.R.Perfit, W.I.Ridley et al (2011). Volatile abundances and oxygen isotopes in basaltic to dacitic lavas on mid-ocean ridges: The role of assimilation at spreading centers. Chemical Geology, Volume 287, Page: 54-65.
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