学者提出两阶段模型解释夏威夷造盾期玄武岩成因

近日，中国科学院广州地球化学研究所博士侯永胜在研究员李洪颜、王煜和徐义刚等人的指导下，研究揭示了熔体-岩石圈地幔高温反应实验约束夏威夷造盾期岩浆成因机制。相关成果发表于《地球物理研究杂志：固体地球》（Journal of Geophysical Research：Solid Earth）。

板块俯冲和地幔柱活动是维系地球活力和实现地球层圈间物质循环的两大重要机制。洋岛玄武岩通常被认为是研究深俯冲物质再循环与地幔柱活动的理想对象，夏威夷岛造盾期玄武岩是其中的典范。经典模型认为，俯冲榴辉岩物质随地幔柱上升时，榴辉岩熔体与软流圈地幔橄榄岩由于化学不平衡发生反应，首先生成二次辉石岩，随后二次辉石岩熔体与地幔橄榄岩熔体按不同比例混合，导致夏威夷造盾期岩浆地球化学成分的多样性。

二次辉石岩模型可以解释造盾期拉斑玄武岩高氧化镁、低氧化钙/氧化铝、高镍含量和同位素富集等地球化学特征，但无法系统解释冒纳罗亚火山和冒纳凯阿火山两座火山的地球化学组成区别：尽管冒纳罗亚火山相较于冒纳凯阿火山的岩浆具有更低的氧化钙/氧化铝，且同位素组成更富集，但两者的全岩和橄榄石斑晶中的镍含量却极为相似。经典模型忽视了榴辉岩/辉石岩熔融产生的熔体在迁移过程中与岩石圈地幔的反应。

两阶段模型解释冒纳罗亚火山和冒纳凯阿火山橄榄石斑晶具有相似的镍含量。研究团队供图

该研究开展了一系列高温高压实验，模拟地幔柱环境下熔体与贫瘠方辉橄榄岩地幔的反应。研究表明，在高温条件下，富硅熔体通过溶解橄榄石并沉淀斜方辉石的方式与岩石圈地幔发生反应，高温、长反应时间以及低熔岩比等条件会加剧反应程度；富硅玄武质熔体与方辉橄榄岩在高温下反应可以演化为贫硅苦橄质熔体，在非平衡反应条件下（反应时间为2小时），残余熔体成分受橄榄石溶解、斜方辉石沉淀以及扩散作用的共同控制，随后在由非平衡向平衡反应的转换过程中（反应时间由2小时至24小时），残余熔体成分主要受扩散作用影响；榴辉岩熔体与岩石圈地幔方辉橄榄岩反应可以直接产生高二氧化硅、氧化镁和镍，低氧化钙/氧化铝的残余熔体，类似夏威夷造盾期拉斑玄武岩。

基于实验结果，研究人员提出了新的两阶段模型来解释夏威夷造盾期玄武岩成因：在软流圈地幔形成的榴辉岩/辉石岩熔体，在向上运移过程中与贫瘠的方辉橄榄岩地幔发生反应，其中冒纳凯阿火山相较于冒纳罗亚火山，熔岩比更低（第一阶段）；随后反应熔体在浅部与橄榄岩熔体发生岩浆混合，其中冒纳凯阿火山相较于冒纳罗亚火山，橄榄岩熔体比例更高（第二阶段）。两个阶段对熔体中的镍含量具有均衡作用，导致冒纳凯阿火山和冒纳罗亚火山的岩浆和橄榄石斑晶具有相似的镍含量。

该研究为理解地幔柱活动及其相关物质循环机制提供了新的视角。

相关论文信息：https://doi/10.1029/2023JB028467