以辉石岩熔岩的冷却历史和位置，作为理解火星熔岩流的代表

　　文丨波波百谈编辑丨波波百谈
　　科学家们经常研究地球类似物以深入了解其他行星体上发生的地质过程。由于其厚度和岩石学上的相似性，  120 米厚的岩浆堆西奥流（加拿大安大略省太古宙 Abitibi 绿岩带）的辉石岩层一直被视为火星钠石的地球类似物。然而，它的起源和冷却历史，以及自然石的起源和冷却历史，一直是一个激烈争论的问题。
　　一、陆地熔岩流作为火星熔岩的模拟
　　西奥流是一个 120 米厚的岩浆岩堆，位于太古宙Abitibi 绿岩带的基性和超镁铁性区域，在绿片岩相条件下受到变质蚀变的影响 。然而，保存完好的纹理关系和流动中辉石改变的证据的缺乏，这表明它们没有遭受化学特征的重置或变质改变。
　　整个岩浆堆包含以下岩性：  橄榄岩、辉石岩、辉长岩以及伟晶岩辉石岩和透明长石岩。
　　透明长石顶部淬火边缘为角砾岩，这与枕状玄武岩和火山碎屑岩一起表明，陆上环境之后是海底环境，这是 Theo 流的起源和演化的特征。
　　特别是，基于详细的岩相学和地球化学，辉石岩层一直被认为是钠钙石的最佳陆地类似物 。根据附近科马提岩确定的年龄，该熔岩流可追溯到 ~ 2.7 Ga 。Theo＂s Flow 的最佳露头是在流动的方向，它由不同岩性单元的岩浆堆组成。
　　这种熔岩流是否起源于与火星上应该发生的那些类似的单一岩浆事件，或者不同的单位是否源于多次喷发。
　　我们通过结合辉石单晶的地热学约束和数值模拟来证明，西奥流是由不同时间发生的多次岩浆侵位形成的。
　　这一发现支持这样一种观点，即在火星上观察到的具有相似成分的巨大熔岩流可能是低粘度熔岩在多次喷发过程中形成的过程的结果。 这对于理解熔岩流在地球和其他行星体上的多尺度机制具有深远的意义。
　　对古代熔岩流的调查为了解地球表面和其他行星体上发生的喷发活动提供了前所未有的见解。像 Theo＂s Flow 这样的古老熔岩流，由于其地层的厚度和岩性，代表了过去 20 年来用作火星上喷发的厚熔岩流的陆地模拟的完美候选者。
　　基于详细的岩石学和地层学分析，Lentz等人得出结论，在 Theo＂s Flow 中观察到的岩性多样性是单个厚岩浆脉冲分化过程的结果，而不是由具有不同成分的多个岩浆批次喷发产生的。
　　这一结论是基于相邻单元之间不存在明显边界以及在矿物和大块岩石成分中观察到的渐进成分变化。
　　根据这些作者所述，即使整个岩浆堆的平均成分与顶部淬火的透明长石角砾岩的平均成分之间的匹配进一步支持了这一假设，后者被认为具有原生岩浆的成分，＂确切的性质分化过程仍然不确定＂。
　　几位作者对从岩相/结构证据（快速冷却速率 3–6  C/h）获得的冷却速率和温度估计与从地热数据（缓慢冷却速率 0.1  C/h）获得的冷却速率和温度估计之间的一些不一致表示担忧。
　　由于这些对比结果，Alvaro等人分别为辉石岩和西奥流提出了一种安置机制，随后的注射相互覆盖，但这一假设从未得到检验。
　　鉴于与火星熔岩流的类比，西奥流的分化机制和时间值得进一步研究， 以阐明火星上的这些地质过程。
　　二、Theo 流的位置：多喷发情景
　　如果我们遵循 Theo 流位于预先存在的 V 形山谷中的想法，则如文献 中所建议的那样，安置机制的可能情景可能与溢流性海底喷发有关 。岩浆与水的相互作用可能发生在地球深处或地表附近，就像西奥流可能发生的那样。
　　在这种情况下，水的对流冷却应被视为主要的冷却机制， 因为它比在地球表面观察到的对流、辐射和传导冷却更有效。Fink 和 Griffiths 提出来自海底熔岩流表面的对流热通量导致岩浆几乎立即冷却。
　　例如，1 秒后，在 1423 K 喷发的玄武岩分别在 2 毫米和 0.5 毫米的深度处通过固相线和玻璃化转变温度。地壳破裂是地表喷发的合理过程新的快速形成的地壳可能发生破裂，新的岩浆团将从中喷出。
　　活跃的枕状熔岩叶在横向和径向裂缝上膨胀并具有高渗出率，这可能是流动向下移动到陡坡的事件。
　　例如，在冰岛观察到的膨胀的熔岩流可以显示高原等大型膨胀结构并覆盖数百平方米，而在海底或水下流动的情况下，膨胀高度最高可达  20 米 。 三、西奥流的位移
　　由于 Theo＂s Flow 被描述为 120 米厚的熔岩流，这将需要叠加的流动 ，每个 10-50 米厚的量级在时间上紧密放置。最后，研究海底环境中的熔岩流需要考虑作用在熔岩流上的有效重力。由于熔岩和水之间的密度差较低，它在水中比在地球表面小。
　　减少的重力 (g＂) 由下式给出：
　　这意味着抵消重力影响的浮力在水中明显更高 ，这大大增加了熔岩膨胀的能力，也使熔岩流的厚度增加了约 30% 。考虑到在水下环境中，流的高度约为 10 米，因此我们应该探索已经提出的叠加熔岩流而不是一个单流单元的可能场景。
　　对缓慢冷却的古熔岩流的热限制不能依赖于基于晶间阳离子交换的传统化学地温测量法，因为在低温（低于 600-700  C）下，长程扩散在动力学上受到阻碍。相反，短程的晶内交换反应可以进行到低得多的温度即约 500  C ， 从而允许它用于估计可能与相互作用的复杂岩浆体的冷却历史。
　　四、实验关闭温度和冷却速率
　　为了解整个西奥流的岩浆演化和冷却历史，我们对辉石晶体中M 1 和M 2位点之间的Fe2+-镁晶内交换反应应用新确定的地热以确定Theo＂s Flow 桩中每个岩性层的闭合温度和冷却速率。
　　我们从 Theo＂s Flow 冷却面下方四个不同地层深度处采样的 4 个小碎片（5 至 10 克）中选择了 6 个辉石单晶。从橄榄岩中选择了一种晶体，从不同深度采样的辉石岩层中选择了五种晶体。这些结果与 Domeneghetti等人获得的结果相结合 。
　　在中间深度的辉石岩层的另外两个晶体上，所有选定的单斜辉石都具有 Fs 含量，其中在Murri等人先前报道的 Fs 至 Fs的组成范围内。对每个晶体进行了高分辨率微焦点。
　　收集的强度数据已用于结构改进以确定阳离子位点占有率，采用电子微探针分析（即 EMPA）的结果来约束成分。补充材料中报告了通过电子显微探针获得的选定六种辉石晶体的完整成分数据。
　　它们显示整个辉石岩单元的热梯度约为 170  C 。此外，最大记录T C在 65 m 深度处的值为 791(15)  C，并且朝向流的顶部，关闭温度下降到 734 (19)  C 和 764 (20)  C 的值。
　　特别是，791  C 的闭合温度（辉石岩单元的顶部）表明相对于所有其他测量温度的冷却速度相对较快。
　　这表明在喷发时，辉石岩上方没有物质存在， 并且它在与大气（陆上、海底环境）接触时被冷却。因此，这一证据与观察到的热梯度和测量的闭合温度相结合似乎指向多次喷发的情景，而不是支持原位分化的单一岩浆侵位的假设。
　　因此，在这种新情况下，岩性单元的不同组成可以简单地归因于喷发前岩浆房中的初始分化过程。
　　五、Theo 流动的重建热历史
　　为了进一步检验这一新假设，我们进行了数值模拟，以评估不同岩浆侵位被不同持续时间的后续事件所覆盖的可能性，如前所述。该模型将闭合温度与每个单晶上确定的冷却速率相结合，为每个后续熔岩流进驻提供时间。
　　考虑到不同岩性单元引起的物理性质的变化，我们用有限差分法求解了 300 m 厚垂直剖面中的一维热扩散方程。 我们在剖面的最高 120 米处施加了表面温度以模拟空气/水的初始存在，而我们根据地下室的稳态地热计算温度。
　　通过从 T冲浪到 T岩浆的瞬时温度升高来模拟单个熔岩流的就位 。 为了研究喷发时间对冷却速率的影响，我们通过改变喷发时间顺序进行了几次模拟。
　　按照红色标签的方法对我们的样品确定的冷却速率与从我们的 1D 模型绿色标签计算的冷却速率之间的比较，比较单个安置与多个后续安置。
　　总之，根据我们在辉石中测量的晶体内分布推断出的冷却速率最好的情景是辉石岩熔岩流在橄榄岩之后立即发生（即 0.1 年后） 。这个时间跨度足以让辉石岩覆盖橄榄岩并根据测得的闭合温度减缓其冷却速度。
　　辉长岩-辉石岩熔岩流发生在辉石岩就位后的后期，最短间隔为10年。
　　辉长岩-辉石岩单元的后期安置允许下面的辉石岩足够快地冷却，与我们的关闭温度估计一致，而无需调用 Fe-Mg 有序度的任何重置，因为我们会考虑原位分化的单级安置假设 。
　　考虑到 Vetere等人测量的辉石岩的低粘度，可以进一步排除后一种假设。经历快速冷却的人在就位后没有时间分化，但可能与岩浆房中的分化一致。此外，这项工作中确定的封闭温度与 Vetere 的低粘度数据相结合等人。
　　在相同的成分上，也解释了地球上这些熔岩的高（120 m）厚度（例如安大略熔岩流）。唯一反对多阶段事件的对比证据可能是每层顶部不存在透明碎屑岩以及随后的岩性单元之间的级配接触。
　　即使在多阶段就位的情况下，我们也可以预期橄榄岩和辉石岩之间存在分级接触，因为它们几乎是同时代的。同样在辉石岩和辉长岩之间，由于覆盖过程，辉石岩单元上方的辉长岩在不重新打开 Fe-Mg 系统的情况下重新加热其最顶部，因此可以预期存在分级接触需要更高 T 的辉石。透明长石的缺失可以简单地用其机械侵蚀来解释。
　　由于它与火星熔岩流的相似性 ，Theo＂s Flow 一直被视为用于解释火星上岩浆过程的类比。120 米厚的 Theo 熔岩堆一直被认为是一次喷发事件的结果，这在地球上是一种相当不寻常的现象，但在火星上却被普遍接受。
　　然而，冷却速率与岩相/结构证据（快速冷却速率 3–6  C/h）和地热数据（缓慢冷却速率 0.1  C/h）的温度估计值之间的不一致导致几位作者到质疑单阶段安置过程以寻找替代方案。
　　为了解决这个广泛的争论，我们结合了对单个辉石晶体的温度限制和数值模拟来证明西奥流是由不同时间的多个岩浆侵位形成的。因此，我们可以将 Theo＂s Flow 热历史的这一新假设总结如下：在太古宙时期，喷发的分化熔岩在非常高的温度下以湍流状态流动。
　　由于粘度低，这些熔岩会流动相当长的距离，直到它们被地形困住。第一个侵位几乎是同时代的，是陆上或水下环境中的橄榄岩和辉石岩 ，然后是机械侵蚀的辉石岩顶部的透明长石，因此作为唯一保存下来的透明长石淬火角砾岩留在整个堆的顶部。
　　乌德里和第最近假设了一个类似的场景，用于钠石和霞石，证明这些岩性作为多次流动被安置在火星表面附近或之上。所提出的过程同时解释了岩石结构记录的快速冷却速率和单一矿物记录的低闭合温度（例如辉石中的晶内交换）。
　　随后的岩浆侵位将在以下位置重新平衡系统低得多的温度类似于高厚度单个熔岩堆的预期温度，至少对于橄榄岩 - 辉石岩转变而言。这对我们理解熔岩流在地球和其他行星体上的多尺度机制具有深远的意义。参考文献【1】Lentz、RCF等人。Theo＂s Flow，加拿大安大略省：火星陨石的地球模拟物。地质学。2011 年。
　　【2】Lentz, RCF, Taylor, GJ & Treiman, AHF 火星辉石岩的形成：钠石陨石和西奥流的比较研究。陨石。行星。科学。1999年。
　　【3】Schaber, GG, Horstman, KC & Dial, AL Jr. 火星塔尔西斯地区的熔岩流物质。在月球和行星科学会议论文集 。1978年。
　　【4】Griffiths, RW Fink, JH 海底熔岩的凝固和形态：对挤出率的依赖。J.地球物理学。1992年。