岩浆传输与岩基生长：通过热机械两相流模型（包含热管机制）来模拟短期和长期过程

《Tectonophysics》：Magma transfer and pluton growth: Modelling short- and long-term processes by thermo-mechanical two-phase flow including the heat pipe mechanism

本研究通过二维两相流模型模拟大陆 crust 中长寿命熔岩体的形成，探讨岩浆底托、熔体提取与侵入的相互作用。结果表明，较小的熔体提取阈值会增加侵入事件频率和总体熔体体积，延长岩体寿命。圆形侵入体比长条形更能保持热量，模型参数与安第斯中部岩浆系统观测数据一致，热管机制使热传输效率提升约3.5倍。该模型揭示了岩浆作用、热传输与 crust 分化演化的耦合机制。

　　本研究聚焦于大陆地壳中长期存在的熔融岩浆房的形成与演化机制，探讨了其维持条件。研究指出，岩浆房的长期存在主要依赖于下地壳熔融所产生的热能，以及由此引发的岩浆向上迁移过程。该过程涉及多种因素，包括岩浆的来源、热传递效率、岩浆房的几何形态、岩浆的提取与注入机制等。通过构建二维两相流模型，研究团队模拟了质量、成分、动量和能量的守恒过程，并引入了一种新颖的岩浆提取与注入参数化方案，以评估不同参数对岩浆房演化的影响。

研究发现，岩浆提取的体积阈值对岩浆房的寿命具有显著影响。较小的提取体积阈值会导致更频繁的岩浆注入，从而增加岩浆房中岩浆的总体积，并延长其存在时间。相比之下，较大的提取体积阈值则可能加速岩浆房的冷却与冻结，缩短其生命周期。此外，岩浆房的几何形态也对岩浆的累积过程产生重要影响。研究表明，半径较小的圆形岩浆房更有利于岩浆的积累，而半径较大的区域则可能导致岩浆快速冻结。这一发现表明，岩浆房的形状与其热保持能力密切相关，圆形结构因其更大的表面积与体积比，能够更有效地储存热量，延缓岩浆的冷却过程。

岩浆的垂直迁移和热能的传递是维持岩浆房长期存在的关键。研究中提到的“热管机制”（heat pipe mechanism）在这一过程中发挥了重要作用。该机制通过岩浆的持续提取与注入，实现热量和物质的快速传输，从而促进岩浆房的热保持和演化。热管机制的引入源于对木星卫星艾欧（Io）地热传输过程的类比，其核心在于岩浆房的冷却与冻结过程中，地壳材料会向岩浆源区下沉，形成一种动态的热循环。这种机制能够有效模拟岩浆在地壳中的上升过程，尤其是在长期地质演化背景下，其对热能的传递效率远高于传统的岩浆上升模型。

在实际地质系统中，热管机制的表现形式多种多样。例如，在安第斯山脉的中上地壳中，研究团队发现岩浆的提取与注入过程能够显著增强地壳的热传导能力。通过对热通量数据的分析，研究指出该地区的热管机制对应的努塞尔数（Nusselt number）约为3.5，表明岩浆提取与注入过程能够使地壳的热传输效率提高3.5倍。这一结果与实际观测数据高度吻合，验证了热管机制在解释岩浆房演化中的有效性。此外，研究还表明，热管机制的效率受到岩浆提取体积和岩浆房深度的影响。较大的提取体积能够更有效地增强热能的传递，而较浅的岩浆房则有利于热能的快速释放，从而影响岩浆房的热保持能力。

研究团队还探讨了岩浆房的演化路径，包括岩浆的垂直堆积、岩浆房底部的下沉以及成分的分层现象。这些现象反映了岩浆在地壳中的迁移过程及其对地壳结构的影响。例如，频繁的岩浆注入会导致岩浆在垂直方向上形成多个批次，从而促进岩浆房的扩展。同时，岩浆房底部的下沉可能引发地壳的变形，进一步影响岩浆的分布与热能的传输。成分的分层现象则表明，岩浆在迁移过程中会经历不同的物理和化学条件，导致其成分的差异。这些差异可能与岩浆的来源、迁移路径、冷却速率等因素有关。

在模型构建方面，研究团队采用了两相流的数值模拟方法，结合了地壳材料的变形与岩浆的迁移过程。这种方法能够更真实地反映岩浆在地壳中的行为，尤其是在高熔融率条件下，岩浆与固相之间的相互作用更为复杂。研究还特别强调了热管机制的参数化处理，即通过设定合理的岩浆提取阈值和岩浆房的几何参数，来模拟岩浆的提取与注入过程。这一参数化方案不仅考虑了岩浆的体积变化，还涵盖了岩浆房的深度、尺寸以及形状等因素，从而更全面地描述岩浆房的演化特征。

研究结果还揭示了岩浆提取与注入过程对地壳热能传输的促进作用。通过热管机制，岩浆的提取能够加速热能的传输，使得地壳在短时间内释放出大量的热能。这种热能的释放不仅影响岩浆房的演化，还可能对地表的地质活动产生深远影响。例如，热管机制可能导致地壳局部的温度升高，从而促进新的岩浆房的形成，或者引发火山活动的增强。此外，研究还指出，热管机制在不同地质环境中可能表现出不同的特征，如在俯冲带或大陆碰撞带中，热管机制可能与地壳的增厚和熔融过程密切相关。

研究团队在模型中引入了多种参数，包括岩浆提取的体积阈值、岩浆房的深度、尺寸以及形状等。通过调整这些参数，研究团队能够模拟不同地质条件下岩浆房的演化过程。例如，当岩浆提取的体积阈值较小时，岩浆房会经历更频繁的注入，从而形成更大的岩浆体积。相反，当体积阈值较大时，岩浆的提取可能更加集中，导致岩浆房的冷却速度加快。此外，岩浆房的深度也对其演化产生重要影响。较浅的岩浆房可能更容易受到地表环境的影响，从而加速其冷却过程，而较深的岩浆房则可能保持较高的温度，延长其存在时间。

研究还探讨了岩浆房的几何形态对其热保持能力的影响。例如，圆形岩浆房因其较大的表面积与体积比，能够更有效地储存热量，从而延长其寿命。相比之下，类似岩浆脉或岩床的几何形态可能导致岩浆房的快速冷却。这种差异表明，岩浆房的形状在很大程度上决定了其热保持能力和演化路径。此外，研究团队还发现，岩浆房的尺寸对其热能传输效率具有重要影响。较小的岩浆房可能更容易受到外部环境的影响，而较大的岩浆房则可能形成更稳定的热循环系统。

研究的另一个重要发现是，岩浆提取与注入过程对地壳的热能传输效率具有显著影响。通过热管机制，岩浆的提取能够促进热能的快速传递，从而在短时间内形成较高的热通量。这种热通量的峰值可能出现在地质历史的特定阶段，例如在某些地质时期，由于岩浆的频繁提取，地壳的热能传输效率可能达到一个高峰。这种现象在安第斯山脉的地质记录中得到了验证，表明热管机制在该地区的岩浆演化过程中发挥了重要作用。

研究团队还指出，岩浆的提取与注入过程对地壳的化学成分演化具有深远影响。通过模拟不同参数下的岩浆提取与注入，研究发现，岩浆的频繁注入可能导致地壳成分的分层现象，即不同深度的岩浆可能具有不同的化学成分。这种分层现象可能与岩浆在迁移过程中经历的物理和化学条件有关，例如温度、压力、水含量等。此外，研究还表明，岩浆的提取与注入过程可能促进地壳的化学分化，即不同成分的岩浆在地壳中形成不同的地质体。

在模型的构建过程中，研究团队采用了多种数值方法，包括两相流模型和热管机制的参数化方案。这些方法能够更真实地反映岩浆在地壳中的行为，尤其是在高熔融率条件下，岩浆与固相之间的相互作用更为复杂。研究还特别强调了热管机制在不同地质环境中的适用性，例如在俯冲带或大陆碰撞带中，热管机制可能与地壳的增厚和熔融过程密切相关。此外，研究团队还讨论了模型在实际地质系统中的应用前景，指出其可能对理解大陆地壳中的岩浆演化过程提供重要的理论支持。

总的来说，本研究通过数值模拟的方法，深入探讨了大陆地壳中长期存在的熔融岩浆房的形成与演化机制。研究结果表明，岩浆的提取与注入过程对岩浆房的寿命、热能传输效率以及成分演化具有重要影响。通过引入热管机制的参数化方案，研究团队能够更全面地描述岩浆在地壳中的迁移过程，并揭示其对地壳热能和物质传输的促进作用。这些发现不仅有助于理解大陆地壳中的岩浆演化过程，还可能对地质灾害的预测和火山活动的分析提供新的视角。