大火成岩省是个什么省?

2018-12-17 15:50:15 编辑:1107152099 来源: 浏览量:149我要评论

摘要:大火成岩省是什么省?

大火成岩省是什么省?


一说起“XX省”,我们第一反应是:行政区划单位。在中国,“省”是地方最大的一级行政区域,直属中央,目前全国共设有34个省级行政区。



找遍中国行政区划图,却没发现有叫“大火成岩”的省,难道是国外的某省?历经三天三夜,翻看世界各国行政区划图还是没找到。直到后来看见一张地质图(如下图),才看到上面标了大火成岩省(Large Igneous Provinces,简称LIP),原来大火成岩省是指特定的地质区域,那么什么是大火成岩省呢?



什么是大火成岩省?


1992年,地球科学家Coffin和Eldholm首次使用大火成岩省这一术语来描述在极短的地质时间间隔内(几百万年甚至更短)发生的面积超过10万平方公里的镁铁质火成岩喷发或侵入,不包括海底扩张产生的基性玄武岩海床以及其他正常的板块构造形成的火成岩区域。


后来,大火成岩省的定义经历了不断的扩展和完善,大火成岩省不仅仅是指铁镁质火成岩的大规模堆积,而是包括了所有类型的火成岩,有学者提出将大火成岩省分类为大型火山省(LVP)和大型深成岩省(LPP),甚至包括由正常板块构造过程产生的火成岩(尚不被广泛接受)。


现在,大火成岩省是指连续的、体积庞大的火成岩(包括铁镁质和长英质火成岩)所构成的岩浆建造,包括大陆溢流玄武岩、火山被动陆缘、大洋高原、海岭、海山群和洋盆溢流玄武岩,大火成岩省的分布面积往往大于0.1×106 km2,岩浆体积大于0.1×106 km3,短时间喷发(约1~5百万年)的岩浆体积占整个火山活动岩浆体积的比例超过75%。


目前,地质研究确定的一些大火成岩省分布如图1所示,有些大火成岩省现在还是完整的,如印度的德干暗色岩(Deccan Traps),而有些大火成岩省被板块构造运动所肢解,如中大西洋火成岩区域(CAMP)分布在巴西、北美东部、非洲西北部。我国幅员虽广,但长期以来国际学术界认为中国只有峨眉山大火成岩省(Emeishan traps),通过近年来对塔里木盆地火山岩的多方面研究,塔里木大火成岩省已开始被学术界认可。


图1:世界大火成岩省分布图


由西伯利亚大火成岩省构成的Putorana高原


大火成岩省和地幔柱


大火成岩省是地球上最大的火山作用,记录了在某些特定地质时期巨量物质和能量由地球内部向外迁移,对大火成岩省的认识迫使地球物理学家重新思考他们对地球内部结构的看法,板块构造理论很好地解释了发生在大洋中脊(新的洋壳产生处)和俯冲带附近(老而且密度大的大洋俯冲进入地球内部)缓慢而稳定的火山活动,但它不能解释突然大规模爆发的大火成岩省。


对于大火成岩省的成因,主要有地幔柱、边缘对流、大规模岩石圈拆沉、裂谷减压熔融、陨石撞击等假说,其中最广为接受的是地幔柱成因的假说。地幔柱假说最早是在1963年由加拿大地球物理学家和地质学家J. Tuzo Wilson(没错,“威尔逊旋回”就是以他的名字命名)提出,他认为夏威夷群岛是一个构造板块在一个固定的热点上向西北移动,产生了一系列火山。


后来在1971年,美国地球物理学家W. Jason Morgan进一步完善了地幔柱假说,他认为地球内部存在起源于核幔边界缓慢上升的细长柱状热物质流(即地幔柱),它相对静止,在地表表现为热点。根据实验结果和数值模拟结果,地幔柱由两部分组成:尾部呈长细柱状,底端连至地幔底部;顶端则膨大成球状并随着上升而膨胀,整体就像有着细长柄的蘑菇。



地幔柱顶端抵达岩石圈底部时,会开始摊平并因减压而大规模熔融形成玄武岩岩浆,这些岩浆可能会在短时间内大量喷发至地表,在大陆地壳形成大陆溢流玄武岩,如印度的德干大火成岩省(Deccan Traps)、亚洲的西伯利亚大火成岩省(Siberian Traps)和峨眉山大火成岩省(Emeishan Traps),在海洋地壳则形成海底高原,例如:西南太平洋的Ontong Java高原,印度洋的Kerguelen高原。


图2:地幔柱与大火成岩省成因示意图


目前,主要有两种与大火成岩省形成相关的地幔柱模型:热柱头模型和扩张模型。前者认为热柱起源于核幔边界(图2 地幔柱A),而后者假定地幔柱起源于上、下地幔边界(图2 地幔柱B)。扩张模型未考虑在上升过程中地幔柱捕获地幔物质的可能性,但强调岩石圈的扩张是火山作用的前提。最近又有研究者提出了兼顾上述模型的第三种模型,认为起源于核幔边界的地幔柱上升并滞留在上、下地幔边界,然后形成多个次级热柱上升至岩石圈底部(图2 地幔柱C),导致大火成岩省的形成。


此外,地幔柱在不同大火成岩省的形成过程中担当着截然不同的角色。有研究者将大火成岩省的成因总结为德干型和巴哈纳型两种模式,在前者情况下,岩石圈减薄程度大,岩浆喷发速率高,大部分岩浆来自于地幔柱的减压绝热熔融;在后者情况下,岩石圈相对较厚,地幔柱就潜伏在岩石圈之下,以机械和热侵蚀的方式影响上覆岩石圈,长期的潜伏可导致岩石圈地幔和地壳的局部熔融,从而混染地幔柱来源的岩浆,岩石圈因侵蚀而逐渐变薄,使得岩浆喷出地表。


图3:地幔柱可能的分布位置(Foulger,2010)


大火成岩省和生物大灭绝


地球上发生过多次生物灭绝事件,尽管生物灭绝的原因尚不完全清楚,但是地质历史上多次生物大灭绝的时间与大火成岩省火山活动有着精确的对应关系(图4),这不由得引发了人类无尽的遐想,科学家认为大火成岩省事件是导致生物大灭绝的主要诱因之一。


图4:显生宙海洋物种灭绝与大火成岩省喷发对应关系图(Bond,2010)


那么,大火成岩省具体是通过何种方式毁灭生物圈呢?其实,岩浆的机械毁坏并不是主要原因,大火成岩省的喷发规模确实很大,但波及面积只是在某些区域尚不能覆盖全球,因此岩浆直接的作用范围是极为有限的,其本身不可能造成全球的生物灭绝,但是岩浆喷发过程中释放的大量挥发性气体和火山灰可以引发全球性环境气候急剧恶化,从而导致大量生物灭绝。


火山喷发释放的二氧化碳能反射地表辐射的热量并使之聚集,导致全球气温升高,伴随火山喷发释放的硫化物和火山灰与空气中的水蒸气结合产生硫酸气溶胶,不仅仅引发酸雨,而且显著地折射和散射外部太阳的热量,导致全球接受太阳能不足而使气温整体下降,产生典型的冷室效应,当巨量岩浆喷发时,大量二氧化碳和硫化物进入大气圈必然导致气候冷热异常。除此之外,火山爆发时释放的重金属和其他化学物质会改变陆地、海洋、空气的化学组成,这些因素将综合导致生物圈紊乱。


图5:大火成岩省喷发伴随的物理和化学效应


二叠纪出现的两次生物灭绝事件一直是地质学家所关注和研究的热点问题。一次是地质历史上规模最大的晚二叠世乐平期末生物灭绝事件(约252百万年前),海洋和陆地物种损失分别超过90%和70%,生物灭绝后经历了大约5百万年才艰难地出现生物复苏,这同时为恐龙的出现创造了条件。这次生物灭绝时间上与西伯利亚大火成岩省火山活动存在耦合关系,目前认为西伯利亚大火成岩省的喷发是最可能造成这次生物灭绝的原因。


另一次是规模相对较小的中二叠世瓜德鲁普期末(约260百万年前)生物灭绝事件,这最早被证实是基于中国华南大面积底栖有孔虫化石记录研究,地质剖面上的碳同位素研究结果也支持在瓜德鲁普期末发生了生物灭绝事件,这次生物灭绝时间上对应着我国峨眉山大火成岩省的活动时期。


导致这次生物灭绝的主要原因存在多个不同观点:大面积海退和浅海栖息地丧失、峨眉山火山喷发、甲烷迸发、海洋温度下降。虽然不能确定峨眉山大火成岩省的喷发是否是导致该次生物灭绝的主要因素,但是峨眉山大火成岩省的喷发必然会导致环境恶化,加大对生物灭绝的影响。


主要参考资料:

1.Coffin M F, Eldholm O. Large igneous provinces. Scientific American,  1993, 269(4): 42-49.

2.Jones M T, Jerram D A, Svensen H H, et al. The effects of large  igneous provinces on the global carbon and sulphur cycles[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology,  Palaeoecology, 2016, 441: 4-21.

3. 徐义刚, 何斌, 罗震宇,  等. 我国大火成岩省和地幔柱研究进展与展望.  矿物岩石地球化学通报, 2013 (1):  25-39.

4.朱江, 张招崇. 大火成岩省与二叠纪两次生物灭绝关系研究进展. 地质论评, 2013, 59(1):  137-148.

5. Wikipedia


 
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