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《Science Advances》结合流体包裹体压力测量与实时地震学,实现近乎实时的岩浆上升追踪

已有 552 次阅读 2024-5-27 14:29 |个人分类:地球科学|系统分类:观点评述

原创 中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业专委会 原载:元素和同位素地球化学 2024-05-27 08:42 北京

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在一项近期发表于《Science Advances》杂志上的最新研究成果中,来自葡萄牙的阿尔帕拉多尔斯火山调查研究所提出了一种创新方法,能够在火山喷发期间近乎实时地监测岩浆的上升动态。该研究利用了流体包裹体显微温压计技术,结合实时地震数据和快速岩石学观测,为岩浆学监测开辟了新途径。研究团队在2021年拉帕尔马岛(加那利群岛)塔霍加伊特火山喷发期间,对收集的18个火山样本进行了流体包裹体微热压测定。他们发现,岩浆批次呈现不同的岩石学和地球化学特征,这些岩浆源自深度逐步增加(从27公里至31公里)的源区。尤为重要的是,富含氮气(N2)和一氧化碳(CO)的流体包裹体——这两种气体是地幔排气的标志性指标,证明了来自更深部岩浆的上升现象。岩浆在22至27公里以及4至16公里的深度区间内累积,且岩浆上升速度(包括停滞时间)估计在每秒0.01至0.1米之间,这一方法不仅经济高效,而且能迅速捕捉到喷发期间岩浆系统的变动,极大地提升了岩浆学监测的效率。结合流体包裹体和地震数据的监测方法,是一种跨学科的创新尝试。流体包裹体微热压计技术通过分析在橄榄石、单斜辉石和角闪石等矿物中捕获的微小流体滴的温度和压力变化,揭示了岩浆的形成和演化条件。同时,实时地震数据提供了岩浆在地下的运动轨迹,两者结合使得科学家能够以前所未有的细节,描绘出岩浆在时间和空间上的动态变化。该方法的成功应用,意味着在未来的火山监测中,科学家们可以更快地识别岩浆的来源和储存深度,这对于预测火山活动、评估潜在的火山灾害风险至关重要。特别是对于频繁活动的火山,这一技术能够为应急响应和居民疏散决策提供更加及时的信息支持。

地幔流体包裹体与无机成因气体

地幔流体包裹体与无机成因气体的研究紧密相连,为理解地球深部碳循环、气体排放以及无机成因油气藏的形成提供了关键线索。这些包裹体是地幔岩石或岩浆过程中被捕获的微小流体样本,它们携带着地幔深处的化学信息,尤其是关于气体成分和同位素组成的关键数据。随着传统油气资源的逐渐枯竭和对环境保护意识的增强,寻找新型、可持续的能源资源变得日益迫切。无机成因天然气,尤其是深层天然气和非常规天然气资源,为能源供应提供了新的可能性,有助于缓解能源短缺问题,实现能源结构的多元化。

气体成分:地幔流体包裹体中常见的气体成分包括CO₂、CO、CH₄(甲烷)、H₂、N₂、H₂S等,这些气体的来源与地幔物质的部分熔融、地幔碳酸盐矿物的还原分解以及地幔岩石的交代作用等过程密切相关。其中,CO₂和H₂的赋存形式多样,如CO₂可以通过火成碳酸岩的高温高压条件下的还原分解产生(资料1),而H₂可能源于水与CO₂在金属催化下的费-托合成反应。无机成因气体:无机成因天然气,尤其是富含CO₂的气藏,其成因往往与地幔流体活动相关。地幔中的流体包裹体研究揭示了CO₂等气体从地幔向地壳传输的可能途径,以及它们在特定地质条件下转化为甲烷等更复杂碳氢化合物的潜力。例如,在地幔碳酸岩的还原分解或类费-托合成反应中,无机碳可以转化为有机物质,进而形成无机成因的碳氢化合物气藏。地幔流体包裹体中的碳、氢同位素组成可以为无机成因气体的识别提供了重要依据。通过分析这些气体的同位素特征,可以区分无机成因与有机成因气体,进而探讨其地质成藏机制。

地幔流体包裹体的研究不仅对无机成因气体的成藏机理具有重要意义,而且对理解地球深部碳循环、板块构造活动、以及地表环境的演化都提供了基础数据。结合不同深度来源的岩浆特征,以及岩浆上升速率的具体估算,这项研究加深了我们对岩浆如何在地球内部积累、迁移及其与地壳相互作用的理解。这对于预测火山喷发模式、评估喷发规模以及理解岩浆房的物理化学过程至关重要通过分析这些微小的“时间胶囊”,科学家们能够窥视地幔深处的化学工厂,探索那些塑造地球表面地貌与资源分布的深部过程。随着分析技术的进步,这些研究正逐步揭示出更多关于地幔与地表相互作用的奥秘,为地球科学领域带来新的认知。通过分析富含N₂和CO的流体包裹体,研究揭示了地幔排气过程的直接证据,为探索地幔深部的化学成分和物理条件提供了窗口。这不仅有助于我们理解无机成因气体的生成与排放机制,也为地球深部碳循环的研究提供了实证数据。

附图:

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          图1展示了2021年火山喷发的地震活动、采样位置以及火山事件的时间线。

(A)和(B)图说明了喷发前后地震活动的情况,数据来源于公开目录(28)。在喷发开始前夕,震源位置的变化尤为明显(B部分)。(C)图展示了两个不同深度区域的地震事件频率。喷发的起始点由蓝色虚线标示,而论文中讨论的两个深度范围——4至14公里和14至30公里,则由红色水平线标出。这些深度均是从海平面起算。(D)图展示了一个拉帕尔马岛的数字高程模型,突出了2021年、1949年和1585年熔岩的分布情况。插图呈现了加那利群岛的地理概况。(E)图是塔霍加伊特火山喷发的时间序列图,显示了采样点(由黑色箭头指示)和岩浆成分的变化。红色标签代表用于全岩分析的熔岩样本,而蓝色标签则代表了火山灰样本。9月27日,火山活动暂时停止,用红色垂直虚线标注。

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图2. 选定点火成岩样品中的矿物结构。(A) 来自9月25日CAN-LLP-0045熔岩的带状 amphibole(角闪石),显示出不太发育的分解边缘。(B) 来自CAN-LLP-0045的等轴/亚等轴橄榄石,也与小粒度的辉石和部分破碎的大粒度单斜辉石共同构成集合体。(C) 来自10月29日CAN-LLP-0046熔岩的带状等轴晶单斜辉石,含有流体包裹体(FI)。

更多信息请阅读原文:Zanon, V., D'Auria, L., Schiavi, F., Cyrzan, K., & Pankhurst, M. J. (2024). Toward a near real-time magma ascent monitoring by combined fluid inclusion barometry and ongoing seismicity. Science Advances, 10(6), 1-17. doi:10.1126/sciadv.adi4300



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