流纹岩的结晶度变化：托科马尔火山系统（阿根廷西北部普纳高原）的启示

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Crystallinity variability in rhyolites: Insights from the Tocomar volcanic system (Puna Plateau, NW Argentina)

Tocomar火山中心通过地球化学和锆石年代学分析，揭示了晶质岩浆在结晶度差异（贫晶至富晶）形成中的作用，以及岩浆分离机制与地热系统演化关联，活动时间约1.1-0.9万年。

　　

L. Bardelli | R. Filipovich | W. Baez | R. Becchio | M. Arnosio | A.K. Schmitt | M. Dani?ík | C. Zhang | L. Monaco | B. Giaccio | G. De Astis | J. Viramonte | G. Giordano

IBIGEO-萨尔塔国立大学（阿根廷）– CONICET，阿根廷

摘要

位于安第斯山脉中部北部普纳高原的托科马尔火山中心是一个第四纪长英质岩浆系统，与一个活跃的地热场相关联。其喷发产生了结晶度各异的火山碎屑沉积物，从结晶度极低的幼年岩屑到结晶度较高的岩屑都有，这反映了岩浆在上地壳长英质晶浆糊中的生成和储存过程。在以往研究的基础上，我们对托科马尔火山岩进行了综合地球化学（全岩和基质玻璃的主要及微量元素、矿物化学）和岩石年代学（锆石U-Pb年龄和微量元素组成）分析，并讨论了该岩浆系统的演化过程。研究结果表明，托科马尔的岩浆活动产生了既以近乎纯净的熔体形式喷发，也以晶浆-玻璃混合物形式喷发的长英质岩浆。结晶度低的流纹岩喷发形成了火山碎屑沉积物和凝灰岩，其地球化学特征（例如极高的铷含量和极低的钡、锶和锆含量）表明这些岩浆是通过晶浆-熔体分离过程（如受阻沉降和压实）从长英质晶浆糊中提取的，而不是通过熔融作用形成的。相比之下，结晶度高的喷发（流纹英安岩）与水热岩浆脉冲有关，其地球化学特征（例如高钡、锶、锆/铪和铷/铯比值）表明其起源于包含晶体和间隙熔体的“累积”过程。这些特征与流体诱导的晶浆糊部分再循环及随后的喷发过程相符。在这种背景下，局部伸展构造环境下的岩浆-晶浆糊动态对喷发产物的整体地球化学成分和喷发方式起到了决定性作用。 这些火山岩还包含复杂的锆石群体，包括第四纪自生锆石和前生锆石以及多种外来锆石。第四纪锆石在结晶度低和高的岩石中均有发现，表明托科马尔的岩浆活动大约发生在110万至90万年前。这些锆石的铪、钍、铀、钛和欧铕比值变化较大，反映了长期低温结晶过程，这与长英质晶浆糊的环境相吻合，并与宿主火山岩的地球化学特征一致。四种不同类型的外来锆石（U-Pb年龄分别为约4.9亿年和14.8亿年）在结晶度低的和高的岩浆中分布不均，记录了岩浆系统不同部分的再循环过程。这些外来锆石可能代表了该地区其他结晶度低流纹岩中的常见现象。 目前，托科马尔下方的地热系统由一个垂直延伸的岩浆系统维持，其中基性至中性的岩浆为阿尔蒂普拉诺-普纳岩浆体提供热量和挥发物。这一解释得到了释放挥发物成分（CO?和He）以及托科马尔附近年轻基性火山中心（喷发年龄约为15万年和5万年）存在的支持。

引言

产生长英质岩浆（如流纹岩）的火山系统是火山学和岩石学中的重要研究对象，因为它们具有复杂的岩浆动力学和潜在的危险喷发风险（Di Genova等人，2017年；Donovan等人，2023年）。这些岩浆的生成机制，尤其是在大陆环境中，仍存在争议（Bachmann和Bergantz，2004年；Streck，2014年；Chen等人，2022年）。一个核心问题是岩浆系统如何从富含晶体的晶浆糊状态演化到喷发出高硅含量、结晶度低或高的岩浆（Dufek和Bergantz，2005年；Cashman等人，2017年；Ellis等人，2023年）。在这种情况下，喷发流纹岩的晶体含量直接与岩浆在晶浆糊中的分离和积累机制相关（Bachmann和Bergantz，2004年；Deering等人，2011a，2011b；Wolff等人，2015年；Holness，2018年），这些机制又影响了喷发方式和喷发岩的地球化学成分（例如Boijseauneau-López等人，2023年）。因此，研究长英质岩石的结晶度有助于深入了解流纹岩岩浆系统的喷发前演化过程，并有助于重建岩浆从长英质晶浆糊中生成的机制（例如Streck，2014年）。 位于安第斯山脉中部北部普纳高原的第四纪托科马尔火山中心，以其多样的流纹岩沉积物而闻名（Petrinovic等人，2006年；Giordano等人，2016年；Filipovich等人，2020年，2022年），为研究同源长英质岩浆之间的结晶度差异提供了天然实验室。喷发物的幼年成分从结晶度低到高不等，每种类型都与特定的喷发方式和主要及微量元素的地球化学特征相关。因此，这项案例研究为探讨控制流纹岩喷发的岩浆/晶浆糊动态提供了宝贵机会。为了探索这些过程，我们重点研究了托科马尔火山沉积物，并提供了新的数据，包括：（i）野外观察，（ii）全岩分析，（iii）矿物和基质玻璃的电子探针显微分析（EPMA），（iv）基质玻璃的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）分析，以及（v）通过二次离子质谱（SIMS）测定的高空间分辨率锆石U-Pb年龄和微量元素浓度。通过这种综合的火山学和岩石年代学方法，我们证明了托科马尔岩浆系统能够在110万至90万年前产生可喷发的高硅含量、结晶度低的流纹英安岩。喷发岩的结晶度与上地壳长英质晶浆糊中的熔体分离和积累过程密切相关，这又决定了喷发岩的地球化学成分并影响了喷发方式。此外，我们的结果有助于（i）理解当前的岩浆系统与托科马尔下方活跃地热储层之间的关系（Taviani等人，2015年；Giordano等人，2016年；Filipovich等人，2022年），以及（ii）将这一岩浆系统置于APVC和北部普纳高原的区域地质年代学框架中考虑。

地质背景

研究区域位于安第斯山脉中部北部普纳高原（约24°S），这是地球上第二高的高原（Allmendinger等人，1997年）。该地区的火山活动源于纳斯卡板块俯冲到南美洲下方，自晚中新世以来尤为剧烈（De Silva和Kay，2018年；Baez等人，2023年）。在晚中新世期间，北部普纳成为上地壳岩浆库周期性喷发的焦点。

方法与样品

我们选取了托科马尔系统的代表性样品进行全岩分析、EPMA分析、LA-ICP-MS分析和SIMS分析（图2g；补充表S1至S4）。具体来说，我们分析了结晶度低的“CP”岩屑（图2d）、高度气泡化的浮石岩屑、来自Apeadero层的结晶度高的“CR”岩屑（图2d）、Quedraba Largadero和El Puesto PDC沉积物（图2e，f），以及Apeadero层中发现的变质岩屑样本（图2d）。

结果

我们分别展示了以下结果：（i）来自凝灰岩Apeadero层的CP浮石，（ii）来自Apeadero层、Largadero层和El Puesto层的CR岩屑，以及（iii）来自Apeadero层的变质火山岩屑（图2g；补充表S1至S4）。对于全岩分析，报告的玻璃成分已标准化为无水基值。在描述岩石学和矿物化学特性时，我们采用了尺寸阈值来区分微晶（中等大小的晶粒）。

讨论

我们利用本研究获得的结果重新评估了托科马尔岩浆活动的地质年代学演化，并讨论了结晶度低和高的岩浆在成因和晶浆糊动态方面的地球化学和火山学意义。随后，我们将我们的发现置于APVC和COT地区的更广泛的岩浆框架中，并将其与现有的锆石U-Pb年龄记录进行比较。

结论

第四纪托科马尔火山中心在北部普纳高原产生了结晶度不同的长英质岩浆喷发。我们的火山学和岩石年代学研究的主要结果总结如下： - 喷发序列和结晶度低、高的岩浆的地球化学特征表明，这些岩浆来源于上地壳的长英质晶浆糊，在局部伸展构造环境中能够交替产生火山碎屑沉积物和凝灰岩。 - LB衷心感谢Roberto Weinberg和Federico Lucci提供的有益且有趣的帮助。