基性与酸性岩浆混合过程的实验模拟研究及其在长白山天池火山的应用

论文摘要

当基性岩浆侵入到地壳中已经存在的酸性岩浆房内的时候,由于基性岩浆的温度要高于岩浆房中已经存在的酸性岩浆的温度,根据热传递的理论,基性岩浆要开始对流传热,冷却并结晶。侵入的基性岩浆密度大于原来岩浆房中的岩浆,而岩浆房中的酸性岩浆粘度要大于侵入的基性岩浆,所以基性岩浆在岩浆房内原来岩浆的底部驻留下来。由于热传递的作用,岩浆房底部基性岩浆温度逐渐降低,并开始结晶,进而原本溶解在岩浆中的挥发分开始从岩浆中以气泡的形式溶出。如果这些气泡都滞留在下层基性岩浆中,那么基性岩浆的密度就会降低直至低于上层岩浆的密度。这时两种岩浆在浮力的作用下就会发生大规模的翻转。如果这些气泡从基性岩浆中分离出来并上升,穿过了下层岩浆的话,将会在两层岩浆的接触面上聚集形成一个泡沫层。由气泡组成的泡沫层密度要小于上层的岩浆,这些泡沫层里小气泡就会聚集在一起以气泡柱的形式进入到上层岩浆里去,这种情况下就不会发生大规模的翻转。前人的研究证明这两种混合的过程都是可能发生在岩浆房内部的,并且在野外观察中也找到了相应的地质证据。发生大规模翻转的情况对应着混合岩浆的喷发物,而没有发生大规模翻转的情况则对应着野外发现的成熟岩浆喷发物中含有新侵入的岩浆成分。通过模型计算可以看出如果基性岩浆的粘度足够低,那么气泡从岩浆中分离需要的时间就会小于由于岩浆的冷却产生气泡的时间。在这种条件下,通过模型的计算就可以认为不会发生大规模的岩浆翻转。然而,如果冷却的速度比较快或者气泡上升的速度比较慢,那么大规模的岩浆翻转还是会发生的。我们在实验室做了一系列的模拟实验来探究岩浆发生翻转的现象。在实验中,我们通过电解产生的气泡来模拟岩浆在冷却和结晶的过程中产生的气泡。使用500 mm×200 mm×300 mm（深）的玻璃水槽作为电解槽,将表面光滑的细孔镍网固定在电解槽的底部,连接到直流稳压电源的阴极,用来产生直径在30-50μm的气泡,将连接到直流稳压电源阳极的铂丝也固定在电解槽内。实验中我们使用了不同粘度和密度的溶液组合,但是下层溶液的密度总要大于上层溶液,而粘度则总要低于上层溶液。电解产生的气泡初始直径都是相同的,这些气泡将上升穿过下层溶液。在基性岩浆粘度较高的实验中,我们观察到大规模的反转和液体混合的现象发生,而对于粘度值较低的实验中并没有发生大规模的反转,气泡聚集在两层液体的接触面上形成一个泡沫层,并且有小气泡形成的气泡柱不时地上升到上一层中去。通过模型计算和实验室模拟可以解释为什么我们在野外可以观察到密度较大的基性岩浆侵入到密度较小的更成熟的岩浆中去的。通过理论分析和实验室模拟实验的验证我们可以看出:1)大规模的岩浆翻转通常伴随着高的冷却率和相对高粘度的基性岩浆侵入到挥发分饱和的酸性岩浆中去。2)如果酸性岩浆的挥发分不饱和,那么岩浆的可压缩性就比较差,这时在岩浆翻转发生之前,由基性岩浆的膨胀引起的压力增加可能会触发火山喷发。3)如果下层的基性岩浆的粘度较低或者冷却率比较低的情况下气泡容易从岩浆中分离出来,从而会在两层岩浆的交界面上形成小的气泡柱。岩浆以这种形式发生混合就不会发生大规模的翻转。这些结果是建立在两种岩浆冷却结晶的简化模型的基础上的。从我们的实验中可以看出来气泡从岩浆中的分离对于岩浆翻转的抑制作用。虽然这些实验并不能模拟岩浆系统中的所有因素并且看到的现象要比我们模型中的参数要复杂,但是与模型得到的主要规律还是相符合的。例如,在实验中,如果上层液体的粘度很大,那么会在两层液体的接触面上形成一层泡沫层,然而在实际情况中,气泡可能会被上层的酸性岩浆重新吸收,这时就不会形成气泡层。但是我们研究的目的是探究在何种条件下翻转可能会发生,由于气泡是否形成了一个明显的泡沫层,是进入到了酸性的岩浆层中还是被酸性岩浆重新吸收,其结果都是相同的,下层岩浆的密度保持不变,也就是气泡从下层岩浆中的分离所用抑制了翻转的发生。尽管对于长白山天池火山的野外样品来说,要确定所有的关键定量参数是很困难的,但是也有许多的野外观测说明岩浆混合作用的存在,并且我们可以应用给出的原理对长白山天池火山来进行进一步的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 长白山天池火山地质
• 1.1 长白山天池火山自然地理
• 1.2 长白山天池火山区域地质及构造背景
• 1.2.1 区域地质背景
• 1.2.2 构造背景
• 1.3 长白山天池火山活动历史
• 1.4 长白山天池火山岩浆混合作用
• 第二章 岩浆混合作用及其实验研究进展
• 2.1 岩浆混合作用研究进展
• 2.1.1 岩浆混合作用及其影响因素
• 2.1.1.1 岩浆混合作用类型
• 2.1.1.2 岩浆混合作用的影响因素
• 2.1.2 岩浆混合作用的动力学过程
• 2.1.2.1 岩浆向岩浆房中补给
• 2.1.2.2 岩浆房中岩浆层的对流翻转
• 2.1.2.3 岩浆房内的强迫性对流
• 2.1.2.4 上升岩浆“炉”内岩浆的混合
• 2.1.2.5 岩浆自混合作用
• 2.2 岩浆混合实验室研究进展
• 2.2.1 岩浆混合实验室模拟的首次应用
• 2.2.2 补给速率变化对岩浆混合作用影响的实验模拟
• 2.2.3 粘度对岩浆混合作用影响的实验模拟
• 2.2.4 双扩散对流实验模拟
• 2.2.5 气泡对岩浆混合作用影响的实验模拟
• 第三章 气泡分离对基性岩浆侵入酸性岩浆发生翻转的影响
• 3.1 没有气泡分离时的岩浆混合情况
• 3.2 气泡从岩浆中分离对岩浆混合的作用
• 第四章 基性岩浆和酸性岩浆混合的实验室模拟实验
• 4.1 实验设计
• 4.2 实验现象
• 4.3 实验结果讨论
• 4.4 模拟实验对于长白山天池火山研究的意义
• 第五章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介