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严瑾仪,July 26, 2024
火山活动对人类社会和自然环境都有影响，晶体生长速率与火山喷发时间尺度密切相关。传统方法在估计时间尺度时存在一定的不确定性，而钙同位素作为一种新的工具，能够提供更精确的时间尺度估计。
图1展示了在快速晶体生长过程中，可能发生的钙同位素不平衡分馏。这一理论模型揭示了晶体生长速率与钙同位素之间的关系，为本文的研究提供了重要的理论基础。
图1 快速晶体生长过程中钙同位素不平衡分馏
文中用到了实验样品和自然样品。实验条件模拟了高温高压环境，温度达到了1200°C，压力达到了200 MPa。作者特别关注了样品中溶解水含量的变化，因为这对钙同位素分馏有显著影响。实验中，样品在高温高压下保持了24小时，然后迅速冷却至650°C，这个过程模拟了岩浆快速冷却时的结晶。实验结果显示，斑晶和玻璃的钙同位素组成存在显著差异，这表明了在快速结晶过程中发生了不平衡分馏。这些发现对于理解岩浆中的晶体生长和岩浆动力学具有重要意义。通过这些实验，能够更好地模拟和预测火山活动。
研究的自然样品也有许多岩石种类，比如辉长岩、几处球状岩。图2展示了球状体不同层之间δ44Ca的变化，以及这些变化与元素浓度之间的关系。可以看到δ44Ca的变化主要受控于不同层中矿物丰度的变化。然而，在球状岩的某些区域，δ44Ca的显著变化并没有伴随着铁和镁浓度的变化，这表明这些层的δ44Ca变化可能受到动力学过程的控制。这些观察结果对于理解岩浆结晶过程中的钙同位素分馏至关重要。它们表明，在快速结晶过程中，钙同位素组成可能会发生显著的不平衡分馏。通过分析这些分馏，可以更好地估计晶体生长速率。
图2 δ44Ca在球状体不同层之间的变化
图3能够帮助理解晶体生长速率与熔体中钙的扩散速率的比值是如何影响钙同位素分馏的。可以观察到实验样品和自然样品的Δ44Ca值与它们的K值有明显相关性。此外，通过比较不同样品的Δ44Ca和K值，可以评估晶体生长速率的相对快慢，以及它们在不同地质条件下的行为。图3还展示了对实验样品和自然样品进行的详细分析，包括它们在快速冷却和不同水含量条件下的钙同位素分馏。
图3 Δ44Ca与K之间的关系
图4展示了在较高扩散比下计算的生长速率估计。这一比值接近于基性岩浆中的扩散比，可以用它来评估其对生长速率估计的影响。图4中的数据表明，在较高的D44/D40比下，计算出的生长速率估计值非常高，甚至对于实验样品来说也是如此，这些实验样品在加热和冷却过程中可能以约50-100厘米/年的速率生长。这表明，如果假设一个较高的 D44/D40比，将需要不切实际的高生长速率来解释观察到的钙同位素分馏。
图4 在较高扩散比下计算的生长速率估计
在比较图3与图4的数据时，可以关注到几个关键的差异。首先，可以注意到钙同位素扩散D44/D40的选择对生长速率的估计有显著影响。图4中使用了较高的比值，这导致了生长速率的高估。这一发现强调了在不同地质条件下选择合适比值的重要性。其次，作者比较了不同边界层厚度对钙同位素分馏的影响。图4中考虑了较大的边界层厚度，这可能会影响钙同位素分馏。
文章探讨了钙同位素方法在不同岩浆成分中的应用。图5展示了不同成分样品的钙同位素分馏。文章发现，无论什么岩性，钙同位素方法都能提供有用的信息。然而，这种方法也有其局限性，比如在某些条件下可能受到矿物—熔体边界层厚度和化学成分变化的影响。
图5 不同成分样品钙同位素分馏
文章的最后，作者讨论了钙同位素方法的未来研究方向。为了进一步提高钙同位素方法的准确性和适用性，未来的研究需要关注不同岩浆成分下的实验研究，以及边界层变化对钙同位素分馏的影响。通过这些研究，可以为火山预测提供更有力的支持。
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