基于地球化学变化推断古代多条岩脉中的岩浆注入顺序：以印度德干地盾的Kinhavli岩脉为例

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Inferring the magma injection sequence in ancient multiple dykes based on geochemical variations: the Kinhavli dyke, Deccan Traps, India

Kinhavli多脉岩体的地球化学与岩石学特征揭示其渐进生长机制，热力学测温支持浅源岩浆房，排除变质与混合影响后推断5%基底污染，两种岩浆注入模型均可能成立。

　　

B. Astha | Hetu Sheth | Anmol Naik | Ghulam Rabbani | Waliur Rahaman | Arunodaya Shekhar

印度理工学院孟买分校地球科学系，Powai，孟买 400076，印度

摘要

岩脉将岩浆从地球内部输送到地表，为火山喷发提供物质。许多岩脉是单次岩浆注入形成的，但也存在多次岩浆注入的情况。通过野外观察和地球物理数据（如地面变形、岩浆引发的地震活动迁移、火山喷发等）可以研究活跃火山中多条岩脉的形成过程。然而，这些方法无法用于研究已熄灭的火山。在本文中，我们研究了位于印度6550万年前德干地盾大陆洪流玄武岩区的Kinhavli多岩脉系统，利用其露头特征、岩石结构、矿物成分及全岩地球化学信息来推断其形成过程。该岩脉由五列柱状岩体组成，属于中等演化程度的橄榄石玄武岩（Mg# 61.6–58.8），其基质主要由斜长石和单斜辉石构成，并含有橄榄石斑晶（Fo_81.6–70.4）、间隙中的硅酸盐玻璃以及FeTi氧化物。这五列岩体在微量元素组成上也非常均匀（Zr/Y = 5.04–5.24, Zr/Nb = 14.56–14.71, La_N/Lu_N = 5.02–5.17）。它们的SrNd同位素比值也非常接近，其中四列的(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_t值为0.70599–0.70605（± 0.00001，2σ），ε_Nd(t)值为?5.5至?5.8（± 0.2，2σ）；第五列的相应值为0.70591和?4.5。热压测定结果显示，橄榄石（1282–1274?°C，1σ误差）、单斜辉石（1185–1150?°C）和斜长石（1146–1143?°C）的结晶发生在2.1–0.5（± 1.9，1σ）千巴的压力下，这表明岩浆源区位于较浅的深度。共存的钛磁铁矿-钛铁矿矿物对指示的温度范围为1114至924?°C，log fO?值介于?10.42至?13.07之间，符合洪流玄武岩的典型特征。岩石结构和地球化学数据无法用岩石蚀变、地幔不均匀性或岩浆混合来解释，但可能与岩浆中含有约5%的古老花岗岩基底物质有关。然而，不同岩柱之间的地球化学差异并不支持“三次连续岩浆注入”的简单模型。因此，该岩脉的形成可能是由于：(i) 一个均匀的岩浆源室产生了四次连续的岩浆注入，且在上升过程中逐渐受到围岩的污染；或者 (ii) 来自同一岩浆源室的五次岩浆注入，但随着时间的推移污染程度逐渐增加。本文采用的方法可有助于推断所有古老多岩脉的形成过程。

引言

岩脉是由岩浆驱动的扩展裂缝（I型裂缝），类似于水力裂缝，它们将岩浆从生成区输送到较浅的岩浆房，最终喷发到地表（例如，Gudmundsson, 1995）。岩脉通常垂直于最小主压应力（σ₃）方向延伸，平行于最大主压应力（σ₁）方向，而中间主压应力（σ₂）通常处于岩脉平面内（例如，Pollard, 1987; Marinoni, 2001）。

许多岩脉代表单次岩浆注入，但如果同一裂缝中发生多次相同或相似成分的岩浆注入，则会形成多岩脉。现今已熄灭的夏威夷火山（如Ko'olau，Walker, 1986）中的多岩脉现象就是这种多次注入的例证。在活跃的夏威夷火山（如基拉韦厄）中，可以通过地球物理监测来识别岩脉活动。例如，在基拉韦厄东裂谷带，有些岩浆侵入体以较快的速率（100–1000?m³/s）周期性侵入，通过裂隙打开新的通道并引发浅层地震群；而一些岩浆流量较小的侵入体（1–10?m³/s）则会利用已存在的或部分开放的通道进行无震侵入（Epp et al., 1983; Hardee, 1987）。多岩脉的形成表明后续岩浆注入利用了先前岩浆开辟的通道，从而促进了岩浆上升和喷发（Gudmundsson, 2025）。

许多活跃火山和火山系统（如基拉韦厄、埃特纳火山、冰岛的赫克拉火山、克拉夫拉火山、法格拉达尔斯菲亚尔火山和松德努库尔火山以及阿法尔地区的火山）都受到多岩脉的供给，这一结论基于对岩脉和地表变形的野外观察（例如，Walker, 1986; Gudmundsson, 1995）以及对岩浆引发地震活动的垂直和水平迁移的地球物理监测（例如，Epp et al., 1983; Hardee, 1987; Grandin et al., 2011）。然而，对于长期灭绝、严重侵蚀的火山地区中古老多岩脉的形成过程，目前缺乏此类证据。此外，形成特定多岩脉的岩浆注入间隔通常过短，无法通过放射性同位素测年方法进行精确测定（例如，Gudmundsson, 1995, Gudmundsson, 2025）。因此，必须通过其他手段来理解这些古老火山地区中岩脉的形成机制。

在本文中，我们研究了印度6550万年前德干地盾大陆洪流玄武岩区的Kinhavli多岩脉系统，利用其露头特征、岩石结构、矿物成分及全岩地球化学信息来推断其形成过程。我们的研究方法包括：(i) 评估多岩脉内部的矿物学、岩石结构和地球化学均匀性；(ii) 理解岩浆的演化过程；(iii) 利用这些数据判断岩浆源室的成分是否随时间发生变化；(iv) 确定形成该多岩脉所需的岩浆注入次数和可能顺序。

野外地质

大陆洪流玄武岩（CFB）区是由大规模岩脉驱动的裂隙喷发形成的（例如，Geikie, 1897; Swanson et al., 1975; Ernst and Buchan, 1997; Ray et al., 2007）。这些岩脉（及其相关的岩床）通常是多次岩浆注入的结果（例如，Taubeneck, 1970; Emeleus and Bell, 2005; Puffer et al., 2009; Sheth and Ca?ón-Tapia, 2015）。印度德干地盾的形成时间约为6650万至6550万年前（例如，Baksi, 2014; Sprain et al., 2019; Schoene et al., 2019），是世界上最大的CFB区之一（图1a）。

岩石学

五列柱状岩体样本的薄片（厚度0.03毫米）采用标准技术制备。使用Leica DM2500岩石显微镜在平面偏振光和交叉偏振光下进行岩石学观察，并使用Leica DFC295相机拍摄显微照片。

全岩主要元素和微量元素分析

对五列柱状岩体样本进行了全岩主要元素成分分析。首先使用金刚石锯将样本切割成小块（约1厘米），然后进一步处理。

矿物和岩石结构

代表Kinhavli岩脉（BA22/40 A-E）的五组样本在矿物组成和岩石结构上非常相似（图3）。这些样本均为橄榄石-长石质岩石，基质由斜长石和单斜辉石组成，含有少量FeTi氧化物以及间隙中的硅酸盐玻璃（图3a–c），显示出亚橄榄石质、颗粒间和晶间结构。橄榄石斑晶中含有微小的尖晶石包裹体，并在裂隙处发生蚀变。间隙中的硅酸盐玻璃呈棕色。

蚀变作用

Kinhavli岩脉的五个样本在燃烧损失值上非常相似且较低，结合岩石学观察结果，表明其几乎没有发生蚀变和风化作用。五个样本在主要元素和微量元素组成上的高度一致性（表1，图4a,b）也进一步证实了这一点。从同位素比值来看，BA22/40B列的(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_t值略低（0.70591），ε_Ndt值略高（?4.5），与其他四列相比有显著差异。

结论

岩脉和多岩脉为研究地壳变形、岩浆运移和火山喷发提供了重要线索。在夏威夷、冰岛（例如，Walker, 1986; Gudmundsson, 1995, Gudmundsson, 2025）以及德干地盾和其他CFB区（Emeleus and Bell, 2005; Ray et al., 2007; Sheth and Ca?ón-Tapia, 2015），多岩脉现象较为常见。虽然通过监测活跃火山中的岩浆引发的地震活动可以获得关于岩脉形成的宝贵信息，

CRediT作者贡献声明

B. Astha： 负责撰写初稿、方法论制定、研究设计、资金获取和数据分析。 Hetu Sheth： 负责审稿和编辑、方法论制定、研究设计、数据分析及概念化。 Anmol Naik： 负责审稿和编辑、方法论制定、研究设计、资金获取和数据分析及概念化。 Ghulam Rabbani： 负责方法论制定、研究设计和数据分析。 Waliur Rahaman： 负责审稿和编辑、研究监督、方法论制定及资金获取。

未引用参考文献

Le Bas et al., 1986 Le Maitre, 1976 Middlemost, 1989

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

野外工作得到了工业研究与咨询中心（IRCC），印度理工学院孟买分校的RI/0220-10000618-001研究项目的支持。Vijay Nadar在野外工作中提供了后勤支持。Astha和Shekhar分别获得了总理研究奖学金（文件编号1303103和1303100）。Naik最初获得了印度理工学院博士后奖学金（文件编号HR-1 (HRM-1)/Rect/33/2022/20003002），目前仍在继续支持。