Nature Communications：熔融包裹体气相组成研究揭示大火成岩省挥发分历史——对岩浆喷发和全球气候影响的意义
在岩浆上升的过程中，挥发性元素会通过影响岩浆的行为，最终控制火山爆发的时间和能量。火山气体如CO2 、CHCH4 和SOSO2等快速释放到大气圈会对全球气候和生物系统造成毁灭性的影响（Clapham and Renne, 2019）。在地质记录中最好的实例就是大火成岩省的岩浆活动，它们与显生宙一些重要的生物灭绝事件同时发生，说明大火成岩省（通过释放挥发分）是全球性气候和环境变化的潜在诱因之一。
大火成岩省通常以大陆溢流玄武岩为主，是特殊的板内岩浆事件，它们往往周期性地爆发、形成巨量的岩浆，导致其中挥发分脉冲式的释放，造成大气圈CO2快速上升以及全球气候变暖。
除了扰动气候，火山CO2对岩浆的贮存、上升和爆发也起了关键的控制作用，并且会驱动岩浆储库的稳定性和演化，控制溢流玄武岩的岩浆作用和与之相关的气体释放量。由于CO2的出溶会改变岩浆的物理性质（如密度，粘度和浮力），因此对岩浆上升过程也至关重要。然而，至今并没有直接证据表明大火成岩省喷发的深部岩浆中含有大量的CO2。
针对上述科学问题，意大利学者Capriolo et al.（2020）通过测试熔融包裹体中的挥发分（尤其是CO2），研究了地球上最大的大火成岩省之一——中大西洋岩浆省（CAMP，Central Atlantic Magmatic Province）岩浆中挥发分的喷发历史，并进一步探讨了其在岩浆喷发和全球气候变化等方面的意义。
CAMP岩浆的侵位（峰值在201.6-201.1Ma）发生在Pangaea超大陆裂解的早期，与三叠纪末大灭绝（显生宙五大最严重生物危机之一）的年龄一致。CAMP玄武质岩浆通过脉冲式喷发或侵入，以高爆发率为特征，如此短且强有力的爆发会对全球气候产生剧烈影响。该研究筛选了北美、非洲和欧洲CAMP玄武质熔岩流和岩床中超过200个侵入岩和喷发岩的样品，综合多项原位测试技术，研究了熔融包裹体气泡中的挥发分。
单斜辉石和熔体平衡的温压计算结果显示，寄主单斜辉石结晶压力为0.1-0.7± 0.2GPa，结晶温度为1150-1230±27°C，与前人预测的整个CAMP玄武岩中单斜辉石结晶压力的结果（0.2-0.8GPa）一致。上述研究结果表明CAMP中的单斜辉石结晶作用主要发生在中部陆壳。
图1 CAMP玄武质岩浆从地幔到地表岩浆通道系统缩略图（Capriolo et al., 2020）
利用计算获得的捕获深度（约12±7km）的结果，可以估算CAMP岩浆中原始CO2量。玄武质熔体中CO2在压力0.2GPa含量约1000ppm条件下达到饱和，每0.1GPa渐增500ppm。考虑结晶深度，CAMP岩浆中估算的最少CO2含量，气体出溶前约为500-4000ppm。该值与熔融包裹体中CO2含量一致（0.5-1.0wt%）。而且，用熔融包裹体中CO2含量最小计算值（0.5-0.6wt%）代表CAMP岩浆的结果，假设玄武质岩石的平均密度为2.90g/cm3，按照CAMP总体积为5-6×106km3（同时考虑深部通道系统），可以计算出CAMP释放的的CO2总量达105Gt。有趣的是，估算的CAMP岩浆CO2含量（0.5-1.0wt%）和CAMP就位过程中释放的火山CO2总量（达105Gt），与用不同方法估算的其它大火成岩省的结果一致。
CAMP熔融包裹体中含CO2气泡可以解释为批式上升的挥发分在其迁移和爆发之前快速被捕获进晶粥状态的熔浆。这是玄武质岩浆在深部发生CO2饱和的证据，也可以解释CAMP脉冲式爆发，其中CO2扮演了岩浆上升推进剂的角色，从而引起快速和猛烈的火山爆发。大量含CO2气泡的出现，脉冲式火山爆发和高效的CO2从玄武质岩浆中释放，增强了CAMP在引起三叠纪末极端温室条件的作用。挥发分释放率在确定地表环境响应的严重程度上起着重要作用，更快的释放增加了大气中CO2的最大瞬时含量和对环境影响的严重性。假设CAMP玄武岩中含有0.5-1.0wt%的CO2，根据通常认为的CO2平均密度和熔融包裹体的玻璃/气泡比值，考虑到CO2通过岩浆高效上升到大气圈中，因此可能仅仅单个CAMP火山脉冲就可以严重影响三叠纪末的古气候。事实上，单个短暂的CAMP岩浆脉冲（0.5千年喷发约105km3）可能释放了约5×1016摩尔CO2，与预测的21世纪人类活动排放量大致相同。
主要参考 献
Capriolo M, Marzoli A, Aradi L E, et al.Deep CO2 in the end-Triassic Central Atlantic Magmatic Province[J]. NatureCommunications, 2020, 11: 1670.
Clapham M E, Renne P R. Flood basalts and massextinctions[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2019, 47:275-303.
（撰稿：蔡亚春，范宏瑞/矿产室）
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