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浆胞的成因

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浆胞(melt pocket)是一种来自地幔的熔融微区捕虏体,其大小在纳米至微米级别,被认为是岩浆的开端或基本单元。浆胞通常由新生矿物+熔融玻璃+熔融后的残留矿物等物质组成,其形状多种多样,有滴状、球状、扇状、牛角状、细脉状和不定形状等。最初国外多称这种熔融微区为bleb drop pocket,国内则称为囊体。近年来,为了强调其岩浆作用的开端性和基本单元性(类似生物组织的单元细胞),改称为浆胞。浆胞多为孤立体,四周全被未熔化的矿物晶体(主要是橄榄石、尖晶石)所包围(如封面图),既无岩浆网络与外界连通,也不见破碎构造裂隙彼此相连,完好地保存了玄武岩浆最初始的发育状态及信息,是原状地幔产生岩浆的缩影。浆胞的发育遍及全球各地,有许多学者进行过研究。观察发现,在同一个岩石切片中同为斜方辉石(Opx),有的颗粒完全熔融,有的颗粒则并未熔融,熔融程度在一个薄片里变动范围相差很大,显示它们所处热场并非一致。同时,熔融微区普遍存在玻璃质,说明浆胞在熔融后经历了快速冷却,浆胞与环境存在较大温差。显然,这种浆胞不可能通过板片俯冲或地幔上涌产生,应该另有成因。杜乐天认为,地幔流体的不均匀渗入致物质熔融是岩浆(浆胞)形成的重要的因素。但是浆胞并没有裂隙或岩浆脉络与外界连通,地幔流动(包括气体)无法渗入其中。因此,对于浆胞的起源至今仍然是一个谜团。
最近,我国学者在美国出版的《地球科学与环境保护杂志(Journal of Geoscience and Environment Protection)》发表题为《Effects of Matter in Atmospheric Neutrino Oscillations and the Formation of Magma》的文章,提出浆胞起源于大气中微子振荡扰动放射性元素生热。文章作者研究认为,大气中微子在地球内部传播时,能够与地球物质产生MSW(Mikhev- Smirnov-Wolfenstein)[2,3]共振。该共振是一种典型的物理共振,它在强烈影响中微子振荡,导致中微子味转换几率增大的同时,也对介质原子产生一些影响,激发介质原子进入高能量激发态,导致介质中不稳定放射性核子进一步失稳,增大其衰变几率,释放更多衰变能,并可引起部分物质熔融。
在地幔深部,中微子是唯一能够不破坏矿物而可以深入矿物内部的粒子。由于中微子振荡只能诱导放射性生热,所以只有放射性元素富集的区域,才会发生熔融,或者说首先发生熔融的是放射性元素富集区域。所以当大气中微子穿过矿物并形成MSW共振时,矿物里放射性物质富集的微小区域就有可能被振荡的中微子扰动而加速衰变生热致此处物质熔融。其周围因放射性元素匮乏则不能熔融。因此浆胞是放射性元素富集微区被大气中微子振荡扰动生热形成的。
杜乐天等研究表明,地幔中,放射性U在矿物晶体中含量最少,不超过10倍10-9,在晶体边界和裂隙中含量较高,一般为数十至数百10-9,浆胞中富集的铀最多,如JH4样品浆胞的铀质量分数为几百至上千倍的10-9。此外,浆胞中的K含量也异常富集,而其中K40
也是地球内部主要的放射性同位素。这充分说明,熔融与放射性元素富集密切相关。当大气中微子在地幔传播并产生MSW共振时,富集放射性元素的区域大量生热致物质熔融。此时,熔融微区的温度会显著高于周边环境温度。当大气中微子因某些作用(如地磁暴干扰等),停止穿过熔融微区时,放射性元素衰变恢复到自然状态,生热骤然减少,熔融区温度迅速下降,一些熔融物会因温度下降而结晶成矿,一些熔融物则来不及结晶便凝固成为玻璃质。如果大气中微子再次穿越已经凝固的微区(浆胞),该微区则会再次熔融,并结晶析出新的矿物。这就是熔融微区新生矿物及其组合具有多样性和复杂性的根本原因。
参考文献
刘劲鸿. 吉林蛟河上地幔岩碎块内熔融微区矿物学及其地质意义[J].地学前缘,2020, 27 (05): 48-60.
杜乐天.地幔流体与玄武岩及碱性岩岩浆成因[J]. 地学前缘, 1998(03):145-157.
杜乐天,王文广. 地幔中铀的存在状态及其地球化学含义[J]. 地学前缘, 2005, (01):69-78.
张国文, 张梦珂. 中微子振荡诱导放射性衰变研究[J]. 现代物理, 2024, 14(4): 135-144.
Zhang, G. W. and Zhang, M. K. Effects of Matter in Atmospheric Neutrino Oscillations and the Formation of Magma[J]. Journal of Geoscience and Environment Protection, 2024, 12, 270-287.


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浆胞的起源关乎岩浆的起源


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