地幔深处亮晶晶:含钻岩石的神秘起源

地幔深处亮晶晶:含钻岩石的神秘起源
2019年12月04日 08:36 新浪科技综合

  来源:Nature自然科研

  金伯利岩是起源于地幔深处的火山岩,但其来源的性质尚无法确定。一项对其来源演变横跨20亿年的研究或能提供这方面的宝贵信息。

  被称为金伯利岩的稀有火山岩是由源自地幔的岩浆喷发到地球表面形成的。从这些岩石上能看出猛烈喷发的痕迹,其化学和矿物成分也有别于地球上其他岩浆岩。尤其是有些金伯利岩包含厘米级大小的稀有矿物晶体,如石榴石、锆石,以及最著名的金刚石。此外,它们含有异常大量的互不相容的微量元素,这些元素会优先进入由地幔融化而成的岩浆。

  这些奇异特征使人们对金伯利岩源的性质及其在地幔中的位置提出了疑问。Woodhead等人1在《自然》中发文称,所有金伯利岩都来自同一个较深的储层,该储层在地球的大部分历史中都得以幸存。

  科学家已经就金伯利岩形成的多个方面达成了普遍共识。首先,金伯利岩岩浆必定富含水和二氧化碳,只有这样才能解释它的猛烈喷发以及相关角砾岩筒的存在——角砾岩筒是一种可以从地表向下延伸一公里以上的圆锥或管状结构。

  其次,部分金伯利岩只能在地幔极深处形成,因为金伯利岩金刚石中夹杂着地球表面无法稳定存在的矿物成分。这些矿物包括铁尖晶橄榄石2和布氏岩3。其中,铁尖晶橄榄石只能稳定存在于上地幔和下地幔之间过渡带(深度410-660千米处),而布氏岩则是下地幔的主要矿物。

  第三,金伯利岩除了含有上拱岩浆结晶而来的矿物,还包含从金伯利岩源头快速上拱过程中从周围物质中采集的矿物和捕虏岩(岩石碎片)(见图1)。有些矿物来自地幔深处,例如含有铁尖晶橄榄石成分的金刚石;有些来自地幔较浅处,还有的来自于地壳。

图1| 西格陵兰的金伯利岩截面图。Woodhead等人1 提出,名为金伯利岩的火山岩起源于地幔深处一个储层,该储层在地球的大部分历史中得以幸存。该图像使用偏振光拍摄,显示了这些岩石中含有多样且结构复杂的矿物(例如金刚石、石榴石和锆石)。比例尺,2毫米。图1| 西格陵兰的金伯利岩截面图。Woodhead等人1 提出,名为金伯利岩的火山岩起源于地幔深处一个储层,该储层在地球的大部分历史中得以幸存。该图像使用偏振光拍摄,显示了这些岩石中含有多样且结构复杂的矿物(例如金刚石、石榴石和锆石)。比例尺,2毫米。

  但是,关于金伯利岩在地幔中的确切来源,乃至更重要的——这种源区的性质,研究人员尚未达成共识。金伯利岩可能是一种相当原始的物质,自地球形成后不久就一直存在于地幔深处。又或者,金伯利岩可能是曾经位于地表或地表附近的某种物质,后来循环进入了深层地幔。两种解释都有相关文献4,而这两种来源说同时成立的论据也很充分,因为存在两类矿物学和地球化学特征迥异的金伯利岩。

  第一类金伯利岩的矿物通常是指原型金伯利岩,由锶和钕同位素组成,与原始地幔的组成相似。第二类金伯利岩的矿物通常被称为桔河岩,其锶和钕的同位素含量更为丰富,类似于大陆地壳的组成4。桔河岩中锶和钕的同位素丰富一般被认为是岩浆在上拱过程中与大陆地壳或地幔最上层固体部分相互作用的结果,可能无法代表金伯利岩来源的组分。

  Woodhead和同事编制了最新获得和之前发表的原型金伯利岩的钕和铪的同位素数据。这些数据涵盖了各个年代的金伯利岩,从不到2亿年到20亿年不等。作者表明,在这一长时间段内,大部分金伯利岩来源地的同位素组成似乎与原始地幔更为接近。这一发现进一步限定了金伯利岩来源的性质,原始储层说也更有说服力,即金伯利岩来自地幔深处几乎未受扰动的储层。

  在火山岩中发现原始物质的痕迹进一步验证了深部地幔这一部分一直与周围环境保持隔离的看法。发现的原始物质被称为洋岛玄武岩,可能起源于常见于核幔边界的地震异常区5,6。对许多其他类型的岩石也有原始来源一说,如花岗岩7。这一来源位于地球深处也进一步佐证了金伯利岩具有原始来源的观点。

  对于其他类型的岩石,在岩石来源中发现循环地壳或能解释为何它们具有接近原始同位素的组成。Woodhead等人驳斥了金伯利岩岩层来源于此的可能,因为他们认为在过去20亿年的历史记录中,来自循环洋壳的成分理应是恒定的。此外,他们认为,某些金伯利岩金刚石中存在较高的氦比值(氦-3与氦-4比)表明了其来源很深,靠近核幔边界。

  作者的解释可能是正确的,但是将这一模型应用于所有金伯利岩之前,还需要对一些独立的观察进行核对。例如,金伯利岩金刚石中的硫-33含量异常,表明该来源含有25亿年前的地表物质——当时的地球大气尚未被氧化8。但为何这种循环物质能与来源中的其他物质共存尚不清楚。

  另一个潜在问题是高氦比值与金刚石中放射性衰变产生的同位素之间的未知关系。一些金刚石的氦比值低,锶和铅的同位素组成与地壳的相似。但是,对于先前分析的具有高氦比的金刚石,尚缺乏锶和铅的同位素数据9。因而,如此高的比值是否可以追溯到原始的深层来源尚未可知。

  最后,虽然金伯利岩金刚石是在上拱过程中从地幔中喷射而出,但它们提供的信息可能与金伯利岩的确切来源毫无关系。为了确认金伯利岩具有原始深层起源,我们还要证明金伯利岩的岩浆本身具有高氦比等原始性特征,或具有能代表岩浆与地核相互作用的钨同位素异常等。还有很多工作在等着我们。

金伯利岩石起源
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