科学家发现一种示踪“隐藏”古风化壳的新方法
在全球碳循环的研究中，硅酸盐化学风化被认为是大气CO2的一个重要汇。其中，玄武岩的分布面积尽管只有全球陆地表面积的5%，但其风化作用消耗的CO2占所有硅酸盐风化作用消耗的1/3。大规模快速化学风化对气候变化、海洋氧化、生态系统以及生物灭绝事件有直接或间接的影响。风化后的残余物经埋藏、压实和固结可形成“古风化壳”。研究古风化壳是重建古气候以及预测未来气候变化的关键所在，但这方面的研究鲜有报道。一是因为古风化壳常被新形成的火山岩和沉积物所覆盖，难以获取岩样；二是因为古风化壳受后期地质作用改造，难以保存原来的信息。许多火山下部通常发育大量玄武质熔岩，上部则常伴有少量的中酸性岩石。理论上，这些上部晚期形成的中酸性火山岩在其岩浆上升和侵位过程中能够记录围岩信息。因此，如果早期的玄武岩遭受风化作用形成古风化壳并被保存，那么晚期形成的火山岩应该能够记录这一古风化事件。
为了探究如何从晚期火山岩中找到古风化壳的信息，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室博士后田恒次与其合作导师杨蔚等，对中国东北长白山火山岩（图1）开展了详细的Sr-Nd-Mg同位素研究。结果表明，造盾玄武岩的87Sr/86Sr = 0.70493–0.70506，143Nd/144Nd = 0.512584–0.512619以及δ26Mg= -0.41‰ ～ -0.34‰；相比之下，造锥粗面岩具有高且变化范围大的87Sr/86Sr = 0.70490–0.71065和δ26Mg = -0.27‰ ～ +0.94‰，但与玄武岩相似的143Nd/144Nd = 0.512584–0.512656。
根据前人研究，造锥粗面岩是由造盾玄武岩经高程度分离结晶作用形成的。这一解释与粗面岩亏损的Sr，P，Ti，Ba和Eu的微量元素特征和MELTS模拟结果相吻合。然而值得注意的是，这些粗面岩具有比玄武岩高的Sr和Mg同位素组成，但却具有相似的Nd同位素组成。
通常情况下，分离结晶过程产生的Sr-Nd-Mg同位素分馏非常有限。结合MELTS模拟计算给出的结晶矿物相，该研究计算表明，从玄武岩（MgO = 8.2 wt.%）到粗面岩（MgO = 0.05 wt.%）的分离结晶过程中，熔体的δ26Mg从-0.3‰升高到+0.02‰。然而，这一理论计算值远小于粗面岩Mg同位素实测值。研究人员详细推导认为，这些粗面岩在形成过程中混染了早期玄武岩风化壳的成分。因为，玄武岩风化过程中，残余物的Sr和Mg同位素会逐渐变重，而Nd同位素却几乎保持不变。AFC（assimilation and fractional crystallization）计算表明，早期的玄武岩必须经过强烈的化学风化才能满足粗面岩如此重的Sr-Mg同位素特征（图2）。
根据前人研究，研究人员推测产生如此重δ26Mg（> +1.5‰）的风化残余物，至少需要经历4-5Mys的高强度风化。通过对长白山玄武岩分布的研究，这一强烈的风化事件很可能发生在中新世17-15 Ma。因为，这一时期中国东南部也处于温暖潮湿的环境（气温>19℃/year，降雨量>165 cm/year）。随后，由于南极东部冰盖的扩张和格陵兰冰盖的形成，全球气温自15Ma以来逐渐变冷。这些早期经强烈风化的玄武岩残余物也经历了后期微弱的风化作用。基于此，研究人员提出了粗面岩形成模式（图3）：早期喷发玄武岩的古风化壳被后来的玄武岩覆盖和保存，成为火山锥的一部分；随着后续火山岩的继续喷发，火山锥不断增高，长大，岩浆房也在上升。岩浆房上升过程会同化火山锥内的围岩，其中包括早期喷发玄武岩的古风化壳。
该研究提出了一种研究古风化壳的新方法：通过研究晚期形成的火山岩的Sr-Nd-Mg和主微量元素特征来探究早期的风化历史。
研究成果发表于Chemical Geology。
图1 中国东北长白山火山锥数字地形图（引自Zhang et al. 2018）。下部为玄武质熔岩，上部为造锥粗面岩
图2 粗面岩Sr-Mg同位素、主量和微量元素比值之间的关系。粉红色和黑色线表示AFC模拟结果，灰色线表示两端元混合模拟结果
图3 中国长白山火山岩形成模型图
来源：中国科学院地质与地球物理研究所
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