浙江大学的实验室里
一片薄薄的玄武岩切片揭示超级火山爆发的秘密
上图:地幔中主要的岩石橄榄岩,是岩浆的“前世”。
中图:火山爆发岩浆冷却后形成的玄武岩。
下图:大火成岩省示意图
安静的实验室里,博士后刘佳用镊子取出一片薄薄的玄武岩切片,放进红外光谱仪中。
这片样品,是大约2.5亿年前一次巨量岩浆喷发之后的产物,深灰色的切面上,分布着一些边缘模糊的白色小点。正是这些不起眼的小点,藏着超级火山的成因“密码”——水。
浙江大学地球科学学院夏群科课题组在最近的一期《Nature Communications》(《自然》子刊《自然通讯》)发表论文,全面阐述了地球上大火成岩省的成因——温度、压力、岩石性质与水,四大因素必须同时具备,才能形成超级火山。
这个成果也进一步回答了《SCIENCE》(《科学》杂志)今年公布的125个最具挑战性的科学问题里的第10问——地球内部如何运行?
夏群科说,课题组下一步将与欧洲和日本科学家合作,研究考察世界不同区域的大火成岩省,进一步检验与完善这项研究成果。超级火山虽然是引发地球巨变的“恶魔”,但它也为人类带来了丰富的矿产资源。大火成岩省都是矿产资源丰富之地,著名的攀枝花铁矿,就位于峨眉山大火成岩省区域。 “对于大火成岩省形成机制的研究,将帮助人类更好地去发现新的矿产资源。”
巨量岩浆的产生
水起着至关重要的作用
超级火山是最为暴烈的地球运动。在超级火山面前,我们熟知的西西里岛火山、夏威夷火山和菲律宾火山等,只可称作“小火山”。
小火山的喷发量,每次在一立方公里左右;而超级火山一次喷发至少一千立方公里,规模相当于1000座小火山同时喷发,并且可持续100万年以上。
如今的地球,分布着历次超级火山喷发的遗迹——大火成岩省[单次喷发周期(1-5Myr。Myr,地质学基本时间单位,1Myr=1000000年);最大时间跨度:(50Myr)、大量(>1×105km2)喷出地表的岩浆产物,称之为“大火成岩省”(Large Igneous Province)]。
通过对大火成岩省地质年代的调查,人们发现:地球历史上的生物大灭绝,与大火成岩省的形成年代,有着精确的对应关系。
简单来说,一旦超级火山爆发,就有点世界末日的意味了,它会引发30%~40%的物种从地球上消失。大约每隔1000~2000万年,“恶魔”就要爆发一次。
若要预测超级火山,首先要摸清超级火山的形成机制:短时间内,巨量的岩浆是怎么产生的?
目前,科学界公认影响岩浆的产生取决于四大因素:温度、压力、岩石成分和水。前三种因素,科学界已有可靠的办法来测定。唯独水的因素最难捉摸,之前的方法,操作难度大,误差也大。
“许多科学家都提出水对岩浆的形成至关重要,如果我们没法测定水的含量,就没法进一步评估和模拟水的影响。”夏群科说。
水从哪里来
大洋板块插入地幔时带入
夏群科课题组采集了一些来自我国西南部峨眉山大火成岩省的玄武岩样品。大约2.5亿年前,中晚二叠纪发生过一次超级火山喷发,它影响着我国西南地区的海陆变迁、沉积以及成矿作用,同时也可能导致了二叠纪全球气候变化和生物大量灭绝事件。
玄武岩,是由地幔深处的物质熔融后形成的岩浆,喷出地表经过分凝、冷却而来。玄武岩样品,乍一看是一块深灰色致密的石头,仔细分辨,上面镶嵌着一些发白的亮晶晶的颗粒。
“这便是单斜辉石。”夏群科说,岩浆在冷却过程中,一些原子会排列成有序的晶格,形成矿物。在这一过程中,水以OH羟基的形式进入矿物晶格。
课题组找到一种方法,通过测定单斜辉石中的水含量,从而准确反演出原始岩浆的水含量。“我们发现,超级火山的岩浆含水量,要比普通的火山含水量高出几十甚至上百倍。”夏群科说。
大量的水从何而来?科学家进一步研究发现:这是在地球板块运动过程中,大洋板块俯冲插入地幔而带入的水。
有了高质量的、可信的水含量的数据,科学界终于可以全面地界定与分析超级火山形成的原因与机制。夏群科课题组在《自然》子刊《自然通讯》发表的那篇论文,就全面阐述了地球上大火成岩省的成因:温度、压力、岩石性质与水,四大因素必须同时具备,才能形成超级火山。
“只有当所有条件都具备了,地球内部才能在短时间产生巨量岩浆。”夏群科说。我国的峨眉山大火成岩省,成为印证这一学说的第一个案例。
而地球上最“年轻”的遗迹,是位于哥伦比亚河区域的大火成岩省,形成于约1600万年前,就是今天美国黄石国家公园所在之地。
“普通火山和超级火山不同,普通火山只要四个因素中的一个或几个起作用就能产生,而超级火山必须四个因素同时具备。”夏群科说,这样使得超级火山的预测成为可能。
“我们知道,超级火山的岩浆需要大量的水,这些水是由板块俯冲从地表带入地幔的。我们可以由此推断,超级火山,必然产生于曾经或者正在发生板块俯冲的地方或者附近。”
