单成因火山的地质年代学及其地球化学演化特征研究：安第斯山脉中部的蒂洛卡拉尔单成因火山场

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Geochronology and insights on geochemical evolution in monogenetic volcanoes: Tilocálar monogenetic volcanic field, Central Andes

　　

加布里埃尔·乌雷塔（Gabriel Ureta）、斯特凡·斯凯莱（Stéphane Scaillet）、布鲁诺·斯凯莱（Bruno Scaillet）、马蒂亚斯·维尔切斯（Matias Vilches）、拉法埃洛·乔尼（Raffaello Cioni）、马丁·齐默（Martin Zimmer）、弗洛里安·杜瓦尔（Florian Duval）、亚历山德拉·钦克格拉尼（Alessandra Cinquegrani）、罗德里戈·冈萨雷斯（Rodrigo González）、弗朗西斯卡·阿吉雷（Francisca Aguirre）

智利圣地亚哥安德烈斯·贝略大学工程学院，安东尼奥·瓦拉斯880号

摘要

蒂洛卡拉尔北火山（Tilocálar Norte）和蒂洛卡拉尔南火山（Tilocálar Sur）是两座组成成分中等的中新世单成因火山，形成于460至730±50千年前。这些火山有助于我们了解它们的喷发活动持续时间，并研究单成因火山作用背后的岩浆过程。本研究提供了新的⁴⁰Ar/³⁹Ar和地球化学数据以确定其喷发历史，同时基于它们的生命周期或过渡期来探讨与之相关的岩浆过程及火山灾害。本研究表明，蒂洛卡拉尔北火山的形成时间为684±143千年前，而蒂洛卡拉尔南火山的基底西侧熔岩流形成时间为693±38千年前，两者的喷发间隔约为9±2千年（2σ误差范围内）。蒂洛卡拉尔北火山和蒂洛卡拉尔南火山的初始岩浆来源于相同源区，这些岩浆通过较低地壳的相互作用（适宜石榴石生长）在压力增加条件下形成，并经历了部分熔融和地壳分层过程。然而，这些岩浆在向地表上升的过程中发生了不同程度的分异作用：分异程度最低的岩浆最先到达地表（蒂洛卡拉尔南火山），分异程度最高的岩浆最后到达地表（蒂洛卡拉尔北火山）。我们的结果为单成因火山作用提供了定量数据，对未来可能对附近基础设施（村庄和矿区）构成威胁的熔岩流喷发提供了风险缓解的依据。

引言

过去几十年中，单成因火山的定义从多个角度得到了完善（de Silva和Francis，1991；Takada，1994；Walker，2000；Valentine等人，2006；Valentine和Gregg，2008；White和Ross，2011；Tchamabé等人，2016；Smith和Németh，2017；Murcia和Németh，2020）。这些研究涵盖了物理火山学和地层学（例如Kósik等人，2016；Latutrie和Ross，2020）、地球化学和岩石学（例如Brenna等人，2012a；McGee和Smith，2016）、构造和地形学研究（例如Barde-Cabusson等人，2013；Le Corvec等人，2013）、地球物理学（例如Blaikie等人，2014；Bolós等人，2014）、空间分布分析（例如Paulsen和Wilson，2010；Bebbington，2013）、地质年代学（例如Sudo等人，1998；Guilbaud等人，2011）以及数值和形态建模（例如Calvari和Pinkerton，1998；Wright等人，2001）等方面。

Németh和Kereszturi（2015）以及Smith和Németh（2017）将单成因火山定义为体积较小（通常≤1立方千米）的火山中心，其岩浆系统相对简单，活动周期也较短（通常≤10^2年）。供给这些火山的岩浆批次通常以极短的时间间隔（数月至数年）喷发，不足以导致每次喷发产物的显著侵蚀或改变或古土壤的形成。这种特征适用于寿命从几周（例如2021年西班牙拉帕尔马岛的Cumbre Vieja火山喷发；Civico等人，2022；Plank等人，2023）到几个月（例如2021年冰岛雷克雅内斯火山的Fagradalsfjall火山喷发；Bindeman等人，2022；Pedersen等人，2022）的单成因火山中心。对于史前喷发，可以通过地质记录（例如显著侵蚀或古土壤的形成）、岩石学（例如地球化学和同位素分析）和地质年代学（例如⁴⁰Ar/³⁹Ar或¹⁴C测年）来确定不同不连续喷发之间的时间间隔（例如Freda等人，2006；Brenna等人，2012b；Avellán等人，2023）。在过去十年中，分析技术的进步提高了对年轻火山岩的测年精度，包括使用⁴⁰Ar/³⁹Ar（例如McDougall，2013）、¹⁴C（例如Avellán等人，2023）、古地磁学（例如Speranza等人，2006）、OSL（例如Fattahi和Stokes，2003）和锆石双测年（例如Dani?ík等人，2017）等多种方法。⁴⁰Ar/³⁹Ar测年技术广泛应用于安第斯山脉中老年火山岩的测定（W?rner等人，2000；Vezzoli等人，2008；Rout等人，2024）。该技术适用于广泛的年龄范围（数千至数十亿年）和多种类型的矿物和岩石（McDougall，2013）。然而，对于中等至基性组成的年轻火山岩，⁴⁰Ar/³⁹Ar测年的不确定性通常较大（W?rner等人，2000；Jicha和Singer，2006；Fleck等人，2014），这在对年轻单成因火山中心的解释中可能是一个关键问题，尤其是在干旱或半干旱条件下，侵蚀过程较弱，地貌特征无法提供明确的相对年龄、建造速率或活跃阶段信息（Freda等人，2006；Avellán等人，2023）。

在本研究中，我们确定了安第斯山脉中部（智利北部）蒂洛卡拉尔单成因火山中心的熔岩流喷发持续时间（见图1）。我们提供了新的⁴⁰Ar/³⁹Ar测年结果以及新的地球化学和野外地质数据：（1）确定这些小型火山体在分离较远的喷发事件中的喷发历史，每次喷发持续时间较短（期间没有侵蚀迹象）；（2）根据它们的生命周期或喷发之间的过渡来区分不同的岩浆过程；（3）评估这些低体积岩浆系统的地质演变及与之相关的火山灾害。

部分摘录

地质背景

蒂洛卡拉尔火山群被定义为由四个独立单成因火山中心组成的小型火山场（见图1；Ureta等人，2021）。这四个小火山中心分别是蒂洛卡拉尔北火山（Tilocálar Norte）、埃尔马尼穹丘（El Maní）、蒂洛卡拉尔南小型熔岩盾（Tilocálar Sur，伴有火山灰沉积和熔岩流）以及蒂洛卡拉尔南火山口（Tilocálar Sur maar，Ureta等人，2021）。

该单成因火山场位于安第斯山脉的中部火山带（见图1）。

样品和分析方法

为进行⁴⁰Ar/³⁹Ar测年，我们从蒂洛卡拉尔北火山和蒂洛卡拉尔南火山各采集了两个样品（见图2）。⁴⁰Ar/³⁹Ar分析在法国奥尔良地球科学研究所（ISTO，CNRS-奥尔良大学）进行。每个样品经过破碎、四分并筛选至不同粒径范围（250微米、250微米–500微米和500微米–1毫米）。随后，样品在超声波浴中漂洗3分钟以去除残留粉末颗粒，并在40°C的烤箱中干燥。

⁴⁰Ar/³⁹Ar地质年代学

所有分析样品均显示出明确的⁴⁰Ar/³⁹Ar平台年龄，其中超过75%的³⁹Ar已被释放（见表1和图3）。来自蒂洛卡拉尔北火山南部熔岩流的GU-TCN-D1样品的年龄为684±143千年前（见表1和图3）；蒂洛卡拉尔南火山基底西侧熔岩流的GU-TCS-D3样品的年龄为693±38千年前（见表1和图3）。由于大气污染的影响，年龄精度中等。此外，还进行了³⁶Ar/³⁹Ar_K和³⁷Ar_Ca的地球化学分析。

类似的历史喷发事件，如公元1250年的墨西哥El Metate火山、1943–1952年的墨西哥Paricutin火山和2021年的西班牙Cumbre Vieja火山，通常具有简单的岩浆通道网络，涉及多次岩浆注入，可能在一次连续喷发或多次不连续喷发中发生（持续时间≤100年）（Luhr和Simkin，1993；Gíslason等人，2015；Chevrel等人，2016；Civico等人，2022；Plank等人，2023）。尽管这些喷发的总产量

结论

通过新的⁴⁰Ar/³⁹Ar测年结果、新的地球化学数据和野外观察，我们重建了这些单成因火山的喷发历史，区分了它们生命周期内的岩浆过程或喷发之间的过渡过程，并了解了与这些低体积岩浆系统相关的火山灾害。

本研究中，蒂洛卡拉尔北火山的形成时间被确定为684±143千年前，而蒂洛卡拉尔南火山的基底西侧熔岩流的形成时间为693±38千年前。

**加布里埃尔·乌雷塔（Gabriel Ureta）**：撰写–审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法论制定、研究实施、资金争取、概念构思。斯特凡·斯凯莱（Stéphane Scaillet）**：撰写–审稿与编辑、数据可视化、结果验证、方法论制定、概念构思。布鲁诺·斯凯莱（Bruno Scaillet）**：撰写–审稿与编辑、数据可视化、结果验证、方法论制定、研究实施。马蒂亚斯·维尔切斯（Matias Vilches）**：撰写–审稿与编辑、数据可视化、结果验证、方法论制定、研究实施。拉法埃洛·乔尼（Raffaello Cioni）**：撰写–

资金支持

本研究得到了ANID Postdoctoral FONDECYT项目（项目编号3230575）、Millennium Institute for Volcanic Risk Research - Ckelar Volcanoes项目（项目编号ICN2021_038）以及Labex项目VOLTAIRE（项目编号ANR-10LABX-100-01）的支持。TanDEM-X数字高程模型由德国航空航天中心（DLR）通过提案DEM_GEOL1342提供（G.U.）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Millennium Institute for Volcanic Risk Research - Ckelar Volcanoes的所有成员在野外工作期间的宝贵讨论和支持。同时，作者也非常感谢索尼娅·卡尔瓦里博士（Sonia Calvari）、玛格达莱娜·奥里亚埃勒·切夫雷尔博士（Magdalena Orya?lle Chevrel）和雨果·穆尔西亚博士（Hugo Murcia）对手稿修改所提供的宝贵意见。