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岩浆流动局部化过程揭示岩墙传播中复杂输运路径的形成机制

火山喷发是地球最壮观的地质现象之一,其中玄武质裂隙喷发作为最常见的喷发类型,其地下岩浆输运机制一直是火山学研究的核心问题。传统理论将供给岩浆的岩墙(dyke)视为简单平面结构,但越来越多的证据表明,岩墙具有复杂的分段结构(segmentation),这种结构如何影响岩浆流动路径和喷发行为却鲜有研究。特内里费岛Carrizales岩墙的发现为破解这一难题提供了绝佳窗口。

这项发表在《Nature Communications》的研究,由国际团队通过对西班牙加那利群岛特内里费岛西北部Teno地块的Carrizales岩墙进行多尺度解析,揭示了岩浆流动局部化(magma flow localisation)在岩墙传播过程中的关键作用。该岩墙罕见地同时暴露在水平和垂直剖面上,展现出清晰的三维结构:由五个相互重叠的板状裂片(lobe)组成,单个裂片长度可达200米,平均宽度98±5厘米。岩墙内部的三层结构(边缘带、中间多孔层和中央无泡层)记录了三次独立的侵入事件,其中中央层的嵌套亚层结构尤为引人注目——这些由单斜辉石斑晶(clinopyroxene phenocryst)浓度定义的亚层呈现逐渐收窄的分布模式,如同"俄罗斯套娃"般层层嵌套,直观展示了流动局部化的动态过程。

研究团队运用了多学科技术方法:通过野外测绘获取1500米长岩墙的三维几何参数;采用晶体定向分析(crystal imbrication)技术,基于单斜辉石斑晶和斜长石微晶(plagioclase microlite)的优选方位重建岩浆流向;结合薄片显微分析确认流动纹理;通过层厚测量量化流动局部化程度。所有数据均来自特内里费岛Teno地块的Carrizales岩墙露头。

【岩墙结构】研究发现岩墙裂片在水平和垂直方向均有限制,暗示岩浆同时存在侧向和垂向流动分量。特别值得注意的是S3裂片,其有限的水平(10米)和垂直(25米)延伸表明观察到的可能是裂片的"下角",这种三维结构挑战了传统二维解释模型。岩墙边缘的波状纹理和厘米级不规则性,记录了岩浆以脉冲式(pulsatory)局部突破的前缘传播方式。

【纹理层序】三层结构对应三次侵入事件:15±6厘米厚的边缘带显示冷却形成的条带纹理(banded texture);14±5厘米厚的中间层具有相似成分但显著多孔;43±5厘米厚的中央无泡层含2-8毫米单斜辉石斑晶。边缘带与中间层间的淬冷边(chilled margin)表明两次侵入存在显著时间间隔,而中央层的嵌套亚层则证明单次侵入事件内仍存在多批次岩浆输送。

【流动局部化】中央层内20米长的嵌套亚层结构是研究的核心发现。每个新岩浆批次占据区域逐渐缩小,最终形成仅占裂片宽度30%的中央通道,这种自组织过程与玄武质熔岩流中熔岩管(lava tube)的形成机制高度相似。晶体定向分析证实主要流向为西南向,兼具下沉分量,热反馈(thermal feedback)被认为是驱动局部化的关键机制——较宽通道因冷却慢而保持开放,较窄区域则因快速冷却而封闭。

【结构模型】研究提出创新性的"裂片-通道"架构模型:岩墙前缘通过多个局部突破点形成初始裂片,热反馈促使流动逐渐集中于少数优势通道,最终形成类似树状分支的复杂输运网络。这种结构可解释同一喷发中不同裂隙的差异性行为:分支通道导致挥发分(volatile)分异,较宽通道维持更久喷发,而复杂流动则抑制大规模对流(convection)。

这项研究从根本上改变了人们对岩墙结构的认知,将传统二维平面模型发展为三维动态架构理论。其重要意义体现在三方面:首先,为解释喷发位置选择性和行为变异性提供了新机制,特别是像2021年Tajogaite喷发中观察到的相邻裂隙喷发风格差异现象;其次,建立的"热反馈-流动局部化-通道选择"理论框架,可提升基于地震活动(seismicity)的喷发预测准确性;最后,提出的岩墙与熔岩流形成机制相似性,为跨尺度岩浆动力学研究搭建了新桥梁。这些发现将直接影响火山灾害评估模型,并为未来实验室模拟和数值计算提供关键约束条件。