几亿年前火山喷发的真相，它为你揭晓！

　　来源：科学大院

　　从5月以来，美国夏威夷大岛（Big Island）的基拉危厄火山持续喷发了2个多月（图1）。这最新一轮的火山爆发产生了大量的熔岩，熔岩源源不断地从火山侧翼的火山通道喷出，并向下滑动至夏威夷岛屿海岸线处，最终进入海洋。这一结果不仅使夏威夷被海水侵蚀的海岸线重新复原，甚至还使其面积增大，进而延长了岛屿的寿命。


图1 夏威夷基拉韦厄火山正在喷发（图片来源：百度百科）

　　自地球形成以来，经历了无数次这样的火山喷发，才产生了现在各式各样的岛屿奇观。我们无法乘坐时光机回到几亿年前的地球上去了解这些景观是如何形成的，喷出地表的熔岩经过了数百万年的风化侵蚀，其成分较形成之初也不可避免的有所改变，那么我们是否还能了解到远古时期，某次岩浆活动的真实面目呢？那就要借助熔融包裹体了。

　　什么是熔融包裹体

　　矿物中的流体包裹体是流体（含气相和液相的流体或硅酸盐熔融体）在矿物结晶生长过程中，被包裹在矿物晶格缺陷或穴窝中的、至今尚在主矿物中封存并与主矿物有着明显相的界限的那部分物质（卢焕章，范宏瑞，倪培， 2004）。打个比方来说，包裹体就像是晶体脸蛋儿上的“美人痣”一样，虽是“缺陷”，但可以留给我们重要的信息。

　　包裹体的物质来源可以是与宿主矿物无关的外来物质或是与宿主矿物相同物质。包裹体的成分多样，形态各异，既有由单一固相、液相或气相组成的单相包裹体，还有由二种或三种相态组合形成的多相包裹体。包裹体含有地质流体的“母液”，因此它是研究地质作用的珍贵样品，能较客观地反映地质历史中不同事件的原貌。

　　流体包裹体按相态可主要分为液体包裹体、气体包裹体、有机包裹体、含子矿物包裹体和熔融包裹体（卢焕章，范宏瑞，倪培， 2004）。熔融包裹体是流体包裹体的主要种类之一，是被捕获在岩浆岩造岩矿物中的硅酸盐熔体小泡或小珠滴，它们在被寄主矿物封存后，呈玻璃质或结晶质，还可能含有气相，是原始岩浆的残留相，对研究原始岩浆的演化具有重要意义，也是我们能探究古岩浆事件的最直接证据。

　　熔融包裹体里的故事

　　熔体的化学组成

　　了解岩浆的化学成分是我们研究古岩浆的首要任务。笔者从新西兰新生代的汤加里罗（Tangariro）火山群中的一个破火山口中采集了典型的玄武安山岩样品。

　　在主要造岩矿物斜长石和辉石中（图2a，b），可观察到各种形态的熔融包裹体（图2c-f），它们和周围的主矿物具有明显的相的界限，包裹体的大小由几微米到几十微米不等。

　　包裹体由无色透明的玻璃质和深色的圆圈所组成。无色透明的玻璃质就是在火山喷发时，被包裹在晶体缺陷中的岩浆熔体，经过不充分的冷凝之后因难以长成晶体而呈非晶质。深色的圆圈可能是由于同时包裹了岩浆中的挥发性的气体而形成，也可能是由于岩浆冷凝收缩，体积减小而形成的真空区域。


　　图2 （a）样品中主要造岩矿物斜长石；（b）样品中主要造岩矿物辉石；（c）-（d）斜长石中的熔融包裹体；（e）-（f）辉石中的熔融包裹体；V代表气相，M代表熔体相，Va代表真空，Ap代表磷灰石；

　　对于熔融包裹体这样微米级别的珍贵样品，我们当然不忍心去破坏它，于是非破坏性的拉曼光谱就成为分析熔融包裹体化学组成的首选。其基本原理是印度物理学家C.V.Raman在1928年发现的拉曼散射，即利用光子与分子相互作用引发光子频率改变，去获得分子结构信息，这种结构信息就会在光谱图上展现出不同位置的特征峰值（伍林等， 2005）。简而言之，每种分子都有其独特的“指纹”，拉曼光谱就是能在微小区域原位地查验分子“指纹”的测试方法。


　　图3 拉曼光谱分析结果（a）斜长石中熔融包裹体的谱学特征，蓝色线代表玻璃质熔体，红线和绿线代表无物质的真空；（b）辉石中熔融包裹体中气相部分的谱学特征；（c）磷灰石的谱学特征

　　拉曼光谱分析表明，熔融包裹体中玻璃质部分的谱学特征与长石，辉石等硅酸盐矿物的谱学特征类似，拉曼特征峰相互重叠，表明熔体主要成分与冷却结晶形成的造岩矿物一致（图3a）。长石中深色的圆圈与宿主矿物的峰相重叠，且无挥发分的特征峰，说明其可能为无物质的真空部分。辉石中的深色圆圈除显示宿主矿物的峰以外，还显示二氧化碳的特征双峰（1287cm-1和1391cm-1）和水的特征峰（3500cm-1）（图3b）。与此同时，在熔融包裹体中还发现了结晶良好的磷灰石子矿物（化学式Ca5（PO4）3（F，Cl，OH））（图3c），说明原始岩浆中除了硅酸盐熔体之外，还可能曾经存在着大量的挥发分。

　　熔体的挥发分含量

　　岩浆中的挥发分（如H2O，CO2，H2S，SO2）常在岩浆演化过程中扮演非常重要的角色，但这些挥发分的特征在岩石中很难直接观察到，而对熔融包裹体的研究恰好有力地补充了这一点，使得我们能够更好地定量恢复原始岩浆的化学成分。

　　俄罗斯科学院著名地球化学家A.V.Sobolev在加拿大27亿年前的科马提岩（一种来源于地幔的富镁铁的、温度高达1300℃的特殊岩浆岩）的橄榄石中发现了熔融包裹体，包裹体主要由气泡（gas bubble）、玻璃质（glass）和尖晶石（spl）组成（图4b），对气泡的成分进行定量分析，Sobolev惊奇地发现，气泡主要由CO2，H2O和含S，F，Cl的挥发分所组成，其中水含量竟高达0.6wt%（wt代表质量百分数）。即每100g的岩浆中，就会有0.6g的水，并且水随着岩浆温度的降低，含量逐渐减少直至无水（图4a）。

　　进而他推断，远古时期的地幔中很可能是极度富水的，要知道，地幔的质量占地球总质量的65%以上，在Sobolev的结论正确的前提下，即使仅一小部分的地幔富水，水的总量也要比当今地球上的水的总量多得多。这项研究对解释早期地球上水的来源甚至生命的演化提供了极其重要的指示，于2016年发表在国际顶级刊物《Nature》杂志上（Sobolev et al。， 2016）。小小的包裹体竟然承载着如此重要的科学内涵，真令人惊叹！


　　图4 （a）岩浆含水量随岩浆温度变化示意图，纵坐标为温度，横坐标代表橄榄石的Mg#，由高到低代表岩浆演化的过程。虚线代表含水量，wt%代表质量百分数；（b）橄榄石中的熔融包裹体，宿主矿物橄榄石（ol），包裹体由玻璃质（glass），气泡（gas bubble）和尖晶石（spl）组成

　　熔体的温度

　　地质学家们还会通过高温热台（可加热到1500℃）对熔融包裹体进行加热，试图得到岩浆的温度。包裹体测温学假设包裹体被捕获后，在冷却的过程中完好保存，不会受到破坏，直至现在的模样。

　　当我们对熔融包裹体进行加热，相当于在进行一个与熔体冷却相反的过程。因此，当包裹体中不同的相（气相，液相，固相）完全均一至一相时，可以认为岩浆已经恢复了其原有的样貌，进而该温度可以认为是熔融包裹体被捕获时的最低温度（王蝶等， 2017）。

　　图5展示了两个熔融包裹体从室温一直加热到均一的完整过程，从22℃-675℃，熔融包裹体几乎未发生明显变化，说明熔体还未开始融化，从725℃开始，包裹体中已经分为了三个明显不同的相，即已融化的部分m，未融化的部分xlt和气相V，到790℃时则只剩下极少的气相，到810℃时则完全均一至一相。至此，我们可以认为，该熔融包裹体所代表的岩浆的最低温度是810℃。


　　图5 粗安岩中熔融包裹体均一化的过程示意图，m代表已融化的部分，V代表气相，xtl代表未完全融化的部分（Student &amp； Bodnar， 2004）

　　熔融包裹体是怎样形成保存的

　　岩浆在喷出地表的过程中会发生冷却，岩浆中所含的化学成分就会按照一定的相规律结晶形成矿物，但是正如世界上没有完美的东西一样，矿物并不是完美无瑕的，它们会有这样和那样的晶格缺陷，未冷却的岩浆就会进入到这些晶格的缺陷中，被晶格缺陷所捕获，随着矿物的结晶，这些微小的岩浆没办法从晶格缺陷中逃逸出去，只能乖乖地在这些“狭缝”中冷却。

　　这些岩浆在晶格缺陷中由于空间所限，不易生长为具有良好形态晶体，就形成了玻璃质的熔融包裹体。其中的挥发分在熔体结晶的过程中逸出并聚集，就形成了富气相的气泡。部分缺少挥发分的熔体，冷却过程中体积减小，又没有气相物质占据位置，就会在包裹体中形成若干无气体的空洞。

　　结语

　　熔融包裹体作为古老岩浆留下的珍贵的残留，给我们提供了相当多的信息，包括古岩浆的化学成分，挥发分含量，岩浆温度等等。这些对于研究古岩浆的演化过程具有相当大的意义，也是我们弄清楚地球上具有如此丰富多彩的岩石和壮观的火山地貌的重要依据。