浙江大學的實驗室裡

一片薄薄的玄武岩切片揭示超級火山爆發的秘密

上圖:地幔中主要的岩石橄榄岩,是岩漿的“前世”。

中圖:火山爆發岩漿冷卻後形成的玄武岩。

下圖:大火成岩省示意圖

安靜的實驗室裡,博士後劉佳用鑷子取出一片薄薄的玄武岩切片,放進紅外光譜儀中。

這片樣品,是大約2.5億年前一次巨量岩漿噴發之後的産物,深灰色的切面上,分布着一些邊緣模糊的白色小點。正是這些不起眼的小點,藏着超級火山的成因“密碼”——水。

浙江大學地球科學學院夏群科課題組在最近的一期《Nature Communications》(《自然》子刊《自然通訊》)發表論文,全面闡述了地球上大火成岩省的成因——溫度、壓力、岩石性質與水,四大因素必須同時具備,才能形成超級火山。

這個成果也進一步回答了《SCIENCE》(《科學》雜志)今年公布的125個最具挑戰性的科學問題裡的第10問——地球内部如何運行?

夏群科說,課題組下一步将與歐洲和日本科學家合作,研究考察世界不同區域的大火成岩省,進一步檢驗與完善這項研究成果。超級火山雖然是引發地球巨變的“惡魔”,但它也為人類帶來了豐富的礦産資源。大火成岩省都是礦産資源豐富之地,著名的攀枝花鐵礦,就位于峨眉山大火成岩省區域。 “對于大火成岩省形成機制的研究,将幫助人類更好地去發現新的礦産資源。”

巨量岩漿的産生

水起着至關重要的作用

超級火山是最為暴烈的地球運動。在超級火山面前,我們熟知的西西裡島火山、夏威夷火山和菲律賓火山等,隻可稱作“小火山”。

小火山的噴發量,每次在一立方公裡左右;而超級火山一次噴發至少一千立方公裡,規模相當于1000座小火山同時噴發,并且可持續100萬年以上。

如今的地球,分布着曆次超級火山噴發的遺迹——大火成岩省[單次噴發周期(1-5Myr。Myr,地質學基本時間單位,1Myr=1000000年);最大時間跨度:(50Myr)、大量(>1×105km2)噴出地表的岩漿産物,稱之為“大火成岩省”(Large Igneous Province)]。

通過對大火成岩省地質年代的調查,人們發現:地球曆史上的生物大滅絕,與大火成岩省的形成年代,有着精确的對應關系。

簡單來說,一旦超級火山爆發,就有點世界末日的意味了,它會引發30%~40%的物種從地球上消失。大約每隔1000~2000萬年,“惡魔”就要爆發一次。

若要預測超級火山,首先要摸清超級火山的形成機制:短時間内,巨量的岩漿是怎麼産生的?

目前,科學界公認影響岩漿的産生取決于四大因素:溫度、壓力、岩石成分和水。前三種因素,科學界已有可靠的辦法來測定。唯獨水的因素最難捉摸,之前的方法,操作難度大,誤差也大。

“許多科學家都提出水對岩漿的形成至關重要,如果我們沒法測定水的含量,就沒法進一步評估和模拟水的影響。”夏群科說。

水從哪裡來

大洋闆塊插入地幔時帶入

夏群科課題組采集了一些來自我國西南部峨眉山大火成岩省的玄武岩樣品。大約2.5億年前,中晚二疊紀發生過一次超級火山噴發,它影響着我國西南地區的海陸變遷、沉積以及成礦作用,同時也可能導緻了二疊紀全球氣候變化和生物大量滅絕事件。

玄武岩,是由地幔深處的物質熔融後形成的岩漿,噴出地表經過分凝、冷卻而來。玄武岩樣品,乍一看是一塊深灰色緻密的石頭,仔細分辨,上面鑲嵌着一些發白的亮晶晶的顆粒。

“這便是單斜輝石。”夏群科說,岩漿在冷卻過程中,一些原子會排列成有序的晶格,形成礦物。在這一過程中,水以OH羟基的形式進入礦物晶格。

課題組找到一種方法,通過測定單斜輝石中的水含量,從而準确反演出原始岩漿的水含量。“我們發現,超級火山的岩漿含水量,要比普通的火山含水量高出幾十甚至上百倍。”夏群科說。

大量的水從何而來?科學家進一步研究發現:這是在地球闆塊運動過程中,大洋闆塊俯沖插入地幔而帶入的水。

有了高質量的、可信的水含量的數據,科學界終于可以全面地界定與分析超級火山形成的原因與機制。夏群科課題組在《自然》子刊《自然通訊》發表的那篇論文,就全面闡述了地球上大火成岩省的成因:溫度、壓力、岩石性質與水,四大因素必須同時具備,才能形成超級火山。

“隻有當所有條件都具備了,地球内部才能在短時間産生巨量岩漿。”夏群科說。我國的峨眉山大火成岩省,成為印證這一學說的第一個案例。

而地球上最“年輕”的遺迹,是位于哥倫比亞河區域的大火成岩省,形成于約1600萬年前,就是今天美國黃石國家公園所在之地。

“普通火山和超級火山不同,普通火山隻要四個因素中的一個或幾個起作用就能産生,而超級火山必須四個因素同時具備。”夏群科說,這樣使得超級火山的預測成為可能。

“我們知道,超級火山的岩漿需要大量的水,這些水是由闆塊俯沖從地表帶入地幔的。我們可以由此推斷,超級火山,必然産生于曾經或者正在發生闆塊俯沖的地方或者附近。”

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