中国东北长白山火山场天池火山口的多层岩浆储库及开放系统过程

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Multi-level magma reservoir and open system processes of the Tianchi caldera, Changbaishan Volcanic Field, NE China

天池火山TWF和ME五阶段火山灰研究表明，浅层（3.5–7.5 km）复合岩浆储层存在垂直热-成分分带，上层为偏碱质熔岩体，下层为岩浆混合体，频繁岩浆补注导致晶体重熔和混合，形成复杂的矿物相和地球化学特征。

　　

陈思明|侯彤|潘荣浩|罗刁|刘国明|罗曼·博特查尔尼科夫

中国地质大学（北京）深时数字地球前沿科学中心，地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京100083，中国

摘要

过碱性硅质岩浆的形成及其导致火山喷发的地壳岩浆过程仍知之甚少。本文报告了对来自中国东北长白山火山场天池火山天文峰喷发（TWF；C1-C2）和千年喷发（ME；C3-C4-C5）的五阶段浮石样本（C1-C5）的岩石学和地球化学分析结果。我们揭示了潘特莱特岩浆和科门迪特岩浆的形成过程以及岩浆通道系统的复杂性。控制天池火山口形成的科门迪特岩浆储库位于浅层地壳中，深度为3.5–7.5公里。该储库表现出垂直的热分区和成分分区，由上部的过碱性流纹岩岩浆体和下部的科门迪特晶体糊组成。在碱性长石巨晶中观察到的广泛筛状结构表明，在最终喷发之前，所有岩浆都经历了来自更深处的岩浆的显著补充，导致晶体糊的重新活动。来自糊状物质不同层次的晶体被卷入可喷发的岩浆体中，并伴随着岩浆混合。这些过程共同促成了五阶段浮石中观察到的岩石学和矿物学多样性。此外，科门迪特岩浆和潘特莱特岩浆均起源于在低压、还原条件下开放系统中的流纹岩岩浆的连续分结晶过程，其中碱性长石巨晶的结晶在岩浆演化中起着关键作用。天池火山下成熟的活跃岩浆通道系统在频繁的地质活动下仍存在喷发风险。未来的研究应重点关注火山下方4–8公里深度处的岩浆过程。

引言

过碱性流纹岩浆通常与（次）普林尼式喷发和破火山口形成相关（Wilson, 1985; Bachmann and Huber, 2016），因为它们的粘度比钙碱性熔体高两个到三个数量级（Di Genova et al., 2013），从而导致复杂的喷发动力学和显著的行为不确定性（Stevenson and Wilson, 1997; Hughes et al., 2017）。它们的喷发方式和产物主要受地壳岩浆分异过程的控制。例如，意大利潘特莱里亚岛（Mahood and Hildreth, 1986）、美国俄勒冈州马扎马火山（Crater Lake）（Bacon and Druitt, 1988; Druitt and Bacon, 1989）和冰岛阿斯克亚火山（Sigurdsson and Sparks, 1981）的分层火山碎屑沉积物被广泛认为是岩浆储库中成分分区的证据（Neave et al., 2012）。单个喷发产物的化学变化进一步记录了岩浆储库中发生的岩浆混合、晶体卷入和地壳污染等关键过程（Rubin et al., 2001; Maclennan et al., 2003; Passmore et al., 2012; Neave et al., 2014; Halldórsson et al., 2018）。然而，这些储库中普遍存在的晶体-熔体不平衡使得难以确定岩浆的喷发前压力-温度-挥发物和氧逸度（P-T-X）路径。此外，确定流纹岩浆的时间演化和岩浆储库的构造也是一个复杂任务，这对于理解以大量浮石和熔岩流为特征的过碱性硅质火山活动至关重要（例如，Mahood and Hildreth, 1986; Hutchison et al., 2016; Clarke et al., 2019）。然而，由于过碱性系统中岩浆储库的相对稀缺性（例如，White et al., 2009; Macdonald, 2012; Iddon et al., 2019），其动态仍不甚明了。

为了加深我们对过碱性岩浆作用的理解，并开发出更精确的过碱性硅质火山岩浆通道系统模型，本研究重点调查了天池火山破火山口形成阶段的喷发产物的岩石学、地球化学、温压测量和相关系。我们的结果为喷发前岩浆储存区域和条件提供了新的限制。以往关于与喷发事件相关的岩浆储库的空间分布和深度的研究主要依赖于地球物理数据（Tang et al., 2001; Zhang et al., 2002a, Zhang et al., 2002b; Stone, 2011; Xu et al., 2012; Choi et al., 2013; Kyong-Song et al., 2016; Kim et al., 2017; Fan et al., 2022; Zhang et al., 2024），这些研究提出最终阶段的流纹岩岩浆来源于锥体建造岩浆储库（约10–20公里深度；例如，Chen et al., 2017; Yi et al., 2021; Liu et al., 2023; Zhou et al., 2024）。通过系统的岩石学研究，本研究提供了新的见解，表明千年喷发的流纹岩岩浆来源于浅层流纹岩储库，而非更深处的锥体建造岩浆储库。通过将这些结果与相平衡实验和地球物理数据相结合，我们揭示了天池火山下流纹岩-科门迪特-潘特莱特岩浆通道系统的内在演化关系和结构复杂性。

部分内容摘录

地质背景和样品

长白山火山场（CVF）位于日本海沟以西约1400公里处（Zhang et al., 2018），是东北亚最大的活跃大陆内火山系统。它主要由三个多成因火山（天池火山、王天娥火山和南浦陀火山）以及众多单成因玄武岩火山组成。天池火山位于盖马高原上方约2000米处，包括三个火山单元：一个玄武岩盾状高原（约5.02–1.05百万年）

方法

主要元素成分分析在中国南京的红光地质调查技术服务有限公司使用PW4400 X射线荧光光谱仪（XRF）进行测定。称量约1克粉末样品，并在马弗炉中以900°C加热1.5小时以测定灼烧损失（LOI）。在真空干燥器中冷却后，重新称量样品。随后，将约0.6克粉末样品与Li₂B₄O₇ flux按1:8的质量比混合

岩石学

从天池火山北部天文峰收集的所有五阶段样品均为浮石，其中包含以碱性长石、单斜辉石和橄榄石为主的巨晶。这里的巨晶是指在形态和大小（500微米–1厘米）上明显不同于基质矿物的晶体（Thomson and Maclennan, 2013）。不同喷发事件中的巨晶含量和大小有所不同。

矿物结晶条件

TWF和ME浮石中的矿物相直接从地壳内的岩浆熔体中结晶而成。为了限制岩浆储库的喷发前物理化学条件，本研究应用基于矿物的温压测量、湿度和氧压测量来估算结晶过程中的压力-温度-熔体水含量-氧逸度（P-T-H₂O-fO₂）。

结论

天池火山TWF和ME五阶段浮石的整体岩石成分、基质玻璃和熔体包裹体成分显示出显著的化学变化。流纹岩和过碱性流纹岩浮石显示出不同的矿物组合和成分，而它们的微量元素和稀土元素分布模式表明它们源自同一来源的不同类型岩浆。此外，在

作者贡献

陈思明：撰写——初稿；构思与设计；审阅与编辑。侯彤：撰写——审阅与编辑；构思与设计；资金获取。潘荣浩：撰写——审阅与编辑；正式分析与研究。罗刁：正式分析与研究。刘国明：撰写——审阅与编辑。罗曼·博特查尔尼科夫：撰写——审阅与编辑。

作者声明

我们声明该手稿是原创的，此前未发表过，目前也没有其他地方正在考虑发表。

CRediT作者贡献声明

陈思明：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，研究。侯彤：撰写——审阅与编辑，方法学，研究，资金获取，概念化。潘荣浩：撰写——审阅与编辑，概念化。罗刁：撰写——审阅与编辑，概念化。刘国明：资源，项目管理。罗曼·博特查尔尼科夫：撰写——审阅与编辑，监督。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42372058）和“深时数字地球”科学技术领军人才团队基金（针对中国地质大学（北京）的前沿科学中心）（中央高校基本科研业务费；资助编号：2652023001）的支持。

利益冲突声明

作者声明我们与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对任何可能影响本文所述观点或手稿审阅的产品、服务或公司没有专业或其他形式的个人利益。

致谢

我们衷心感谢中国科学院电子显微镜实验室的毛晓红和李青林在本研究中的宝贵帮助和技术支持。