可溶性水的含量在大洋玄武质岩浆体系中扮演着重要的角色，是影响地幔部分熔融、岩浆结晶分异、喷发动力学过程和地幔不均一性的关键因素。对玄武质岩浆淬火玻璃（包含熔体包裹体）的分析测试是获取岩浆可溶性水含量的重要和直接手段。然而，全球洋中脊玄武岩（MORB）中仅有少数样品含有可溶性水含量的数据（不足PetDB数据库中MORB样品总量的10%），且这些样品仅分布在全球约35%的洋脊段内，其主要原因之一是大量MORB中缺少可供测试的新鲜玻璃或熔体包裹体。
目前，已有多种定量计算玄武质岩浆中水含量的方法，其中一种是通过经验总结或建模来量化岩浆分离结晶过程中液相下降线（Liquid line of descent，LLD）的关键变化，以此作为岩浆水含量的可变函数。这种方法的优点是仅使用玄武岩的主量元素组成就能实现对岩浆水含量的制约。然而，该方法的研究主要集中在岩浆水含量较高的岛弧岩浆（高达7.0 wt.%），对于相对贫水的大洋中脊和弧后盆地岩浆（H2O < 2 wt.%），目前仍然缺少一种灵敏的湿度计来制约岩浆水含量的变化。
针对上述科学问题，西北大学地质学系博士后王巍、董云鹏教授和自然资源部第二海洋研究所陈灵副研究员等合作作者通过模拟、总结、量化玄武质岩浆中FeO*、Al2O3和Al2O3/FeO*相对MgO在分馏结晶过程中的变化，建立了一种新的主量元素指标以实现MORB和BABB（弧后盆地玄武岩）岩浆中水含量的定量估算。
相对于橄榄石和单斜辉石，斜长石的结晶对岩浆中水的丰度特别敏感，与无水岩浆相比，较高的岩浆水含量能够显著延迟斜长石的饱和状态。基于水对斜长石结晶的抑制效应，更高的溶解水含量将促使岩浆成分趋向更低的FeO*和更高的Al2O3值，从而影响LLD的走势（图1）。基于这一预期，我们提出Al2O3/FeO*(7.0)比值与岩浆水含量理论上应呈现正相关关系，具有定量估算岩浆水含量的潜力。
图1 无水和富水岩浆系列LLDs概念示意图
全球MORB数据特征及岩浆结晶分异过程的地球化学模拟结果均印证了玄武质岩浆中Al2O3/FeO*(7.0)与H2O(7.0)具有良好的正相关关系，并且这种相关性在岩浆水含量更高的BABB中也得以保持。Al2O3/FeO*(7.0)与H2O(7.0)之间协变关系的岩石学控制机制正是岩浆中可溶性H2O抑制了斜长石的结晶，而岩浆结晶分异过程中压力和氧逸度等其他因素的影响非常微弱。因此，我们基于已发表的全球MORB和BABB数据，综合其中划分出的42组岩浆系列的数据特征（图2），总结了估算岩浆水含量的经验公式。Al2O3/FeO*(7.0)指标可作为现有湿度计（如THI，Zimmer et al., 2010）的补充，弥补在相对贫水的大洋中脊和弧后盆地构造背景中岩浆水含量估算精度的不足。该方法不仅适用于玄武岩玻璃数据，对于缺少玻璃质、熔体包裹体、合适斑晶的隐晶质玄武岩的全岩数据依然适用。
图2 全球洋中脊（红色）和弧后盆地（蓝色）中42组岩浆系列Al2O3/FeO*(7.0)与H2O(7.0)相关性示意图。
文章信息：Wei Wang, Ling Chen, Yunpeng Dong, Katherine A. Kelley, Fengyou Chu, Bo Zhou, Biyao Gong, Jie Zhang. (2022). Development of major element proxies for magmatic H2O content in oceanic basalts. Chemical Geology. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.121068
我系大陆构造研究团队的王巍博士为论文的第一作者，该工作得到陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ-266）等项目的支持。