新研究发现,碰撞的大陆板块可能会吸收比以前想象的更多的水

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一项新研究发现,碰撞的大陆板块可能会吸收比以前想象的更多的水。这一结果可能有助于解释一些火山喷发的爆炸性,以及铜、银和金等矿藏的分布。这项研究是由伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)、麻省理工学院和其他地方的地质学家们进行的。

这些发现是基于对从喜马拉雅山脉回收的古代岩浆岩的分析–这种地质构造是俯冲区的产物,两个巨大的构造板块相互挤压,一个板块在数百万年后在另一个板块下面滑动。

世界各地都可以找到俯冲带。当一个构造板块俯冲于另一个板块之下时,它可以带走海洋水,将其卷入地幔深处,在那里液体可以与上升的岩浆融合。岩浆所含的水越多,爆发的可能性就越大。因此,俯冲带是世界上一些最强大和最具破坏性的火山爆发的地点。

他们的分析发表在2022年5月26日的《自然-地球科学》杂志上,发现俯冲带的岩浆,或"弧岩浆",按重量计算可以包含高达20%的水含量–大约是被广泛假设的最大水含量的两倍。新的估计表明,俯冲带吸收的水比以前认为的要多,而且弧岩浆是"超级水",比科学家估计的要湿得多。

该研究的作者包括主要作者Ben Urann博士,他在研究时是麻省理工学院-WHOI联合项目的研究生(现在在怀俄明大学);Urann的博士生导师Véronique Le Roux来自WHOI和麻省理工学院-WHOI联合项目。麻省理工学院地球、大气和行星科学系的地质学教授Oliver Jagoutz;瑞士洛桑大学的Othmar Müntener;波士顿学院的Mark Behn;以及斯克里普斯海洋学研究所的Emily Chin。

以前,估计俯冲带中被吸下去的水量是通过分析喷发到地表的火山岩来完成的。科学家们测量了这些岩石中的水的特征,然后重建了岩石的原始含水量,当时它们第一次作为岩浆吸收了地壳下深处的液体。这些估计表明,岩浆平均含有约4%的水(按重量)。

但是Urann和Le Roux对这些分析提出质疑。如果上升的岩浆经历了一些过程,以科学家们没有预料到的方式影响了原来的水含量,怎么办?

“问题是,这些迅速上升并喷发的岩石是否代表了深层的真实情况,或者是否有一些表面过程使这些数字发生了偏差?” Urann说。

采取不同的方法,研究小组将目光投向了古代岩浆岩,称为柱状岩,它们一直深藏在地表之下,最初从未爆发过。他们推断,这些岩石将是它们最初吸收的水的更原始的记录者。

Urann和Le Roux在WHOI开发了新的二次离子质谱分析方法,以分析Jagoutz和Müntener以前在Kohistan弧收集的钚中的水,Kohistan弧是喜马拉雅山脉西部的一个区域,由很久以前结晶的大面积岩石地质段组成。这些材料随后被抬升到地表,暴露出保存下来的、未被抬升的柱状体或岩浆岩层。

“这些是令人难以置信的新鲜岩石,”Urann说。“没有证据表明这些岩石的晶体受到任何干扰,所以这是使用这些样本的驱动力。”

Urann和Le Roux选择了最新鲜的样本,并分析了它们的水迹象。他们将水的测量值与每个晶体中的矿物成分结合起来,并将这些数字塞入一个方程式,以反算岩浆在结晶成岩石形式之前最初必须吸收的水量。

最后,他们的计算显示,弧岩浆中的原始水含量超过了8%(按重量)。

该小组的新估计可能有助于解释为什么世界上某些地方的火山爆发比其他地方更强、更具爆炸性。

没有参与研究的莱斯大学地质学教授Cin-Ty Lee说:“这种水含量是理解为什么弧岩浆更具爆炸性的关键。弧岩浆的水含量有点神秘,因为重建原始水含量非常困难。大多数社区使用(喷发的火山岩),但它们与深层来源相去甚远。因此,如果你能直接进入地幔,那就是最好的办法。目前研究中的(岩石)是最接近的。”

这些结果也可能指向世界上可能发现矿藏–以及高浓度的铜、银和金–的地点。

“这些矿床被认为是由岩浆流体形成的–从最初的岩浆中分离出来的流体,这些流体在溶液中携带铜和其他金属,”Urann说。“问题一直是,这些矿床的形成需要大量的水–比你从含水量为4%的岩浆中得到的更多。我们的研究表明,超水岩浆是形成经济矿床的主要候选者。”

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