超级喷发(超级侵入)后成矿作用

本文仿照超级喷发的概念定义了超级侵入,并将超级火山对应于大型岩基.文章聚焦于这样一个科学问题:为什么大规模成矿作用发生在紧接着超级喷发和超级侵入之后？为此,首先探讨了峨嵋山地幔柱系统的活动规律.尽管少数学者对玄武质岩浆大规模喷出之前的千米级地壳隆升提出了质疑,峨嵋山火山岩系第一旋回底部玄武岩直接覆盖在喀斯特之上的新观察支持千米级隆升的认识.这表明,峨嵋山地幔柱快速上涌之初期,岩石圈子系统在相当长一段时间没有作出伸展响应,尽管局部已经发生了地壳岩石的部分熔融.因此,岩浆通道形成之后,首先喷出了巨厚层玄武岩,并且后者裹挟了部分长英质岩浆.此后,岩浆喷发的规模振荡性减小,直至消失和地表沉降.斜长石巨斑玄武岩和苦橄岩中橄榄石斑晶与基质间的不平衡表明这些晶体属于循环晶,暗示岩浆曾经在深部岩浆房滞留了相当长的时间,这将导致岩石圈受热膨胀和再次隆升以及岩浆的冻结.因此,下一阶段岩浆活动的开始要求有一个冻结岩浆房的活化机制.依据野外地质学和岩相学观察,文章详细描述了流体活化机制,并强调了提出这种机制的必要性.虽然多数作者偏好升温活化机制,流体活化机制对长英质和镁铁质岩浆成矿系统都是必需的.进而,结合地幔名义无水矿物的H₂O丰度及其对岩浆产生过程的贡献,提出岩浆产量与减压速率正相关而与流体产量反相关的观点.尽管水流体可以有效降低地幔橄榄岩的固相线温度从而有可能提高岩浆产量,新生代玄武岩中橄榄岩包体依然含有未分解的角闪石和云母且名义无水矿物依然含有较多的H₂O,表明快速减压条件下含水暗色矿物的分解反应和名义无水矿物的脱水作用都是低效的.将这种认识与峨嵋山地幔柱系统的振荡性运动结合在一起,结合成矿作用的基本解是成矿金属从流体中析出的认识,可以得出超大型矿床必然形成于超级喷发和超级侵入之后.攀枝花式铁矿的观察表明,两类代表性矿床都具有铁矿浆侵位发生在成矿系统演化最后阶段的特点.因此得出结论:超大型矿床的形成取决于岩浆通道向流体通道的转换.如果岩浆通道在尚未完全封闭之前被含矿流体所利用,大规模流体快速上升将产生超大型矿床.含矿流体透过残留于通道中的熔体上升,不仅冲刷通道中的残留熔体并使其聚集在火山岩系之下或侵位于其下部形成含矿小岩体,而且持续注入于小岩浆体中的含矿流体可以导致岩浆强烈分异形成层状岩体.当通道中残留熔体被消耗殆尽,沿着通道上升的只有含矿流体.这些含矿流体充填在自生长裂隙中并强烈排气,最终可形成矿浆型富矿体.考虑到通道的规模与关闭速率的关系,推测超级喷发/侵入发生时的岩浆主通道更容易转换为含矿流体通道,因而是圈定找矿靶区的首选目标.该模型似乎与观察结果相吻合,并可与岩浆成矿系统的复杂性、小岩体成大矿理论、透岩浆流体成矿理论和通道成矿假说有机地结合在一起,较合理解释了超级喷发/侵入后成矿作用的地球动力学背景和成矿过程.由于长英质和镁铁质岩浆系统中均可见岩基,我们建议将这类成矿作用统称为岩基后成矿作用.     

岩浆通道成矿系统

全球最主要的岩浆铜镍硫化物矿床基本特征是:(1)矿石与围岩边界平直,呈侵入接触关系;(2)"矿浆"在岩浆成矿系统的晚期上侵就位;(3)矿体赋存于岩浆通道中.已有的成矿模型不能同时解释这三个基本特征,暗示必须进一步理解岩浆铜镍硫化物矿床的形成机制.最近几年我们的研究发现岩浆铜镍硫化物矿床中典型矿石具有如下特征:(1)矿石中存在流体晶矿物组合,它们既不同于岩浆岩中的矿物组合,也不同于变质岩中的矿物组合,推测是从流体中直接结晶的产物;(2)铜镍硫化物矿床中不同部位矿体中矿石存在显著的成分变化,前锋端矿石以富Ni为特点,尾端矿石富含Cu、Pt、Pd.据此,本文提出了"岩浆通道成矿系统"的新模型,试图整合解释岩浆铜镍硫化物矿床中的各种观测事实.所谓岩浆通道成矿系统,系指岩浆演化晚期,"矿浆"运移和就位的空间及其相关成矿要素的组合.该模型强调:(1)深部岩浆房在岩浆矿床的形成过程中起着非常重要的作用,"矿浆"定位于岩浆成矿系统演化的晚期;(2)矿浆具有整体的流动性,因而提出了"岩浆通道前进方向"的概念;(3)所谓的"矿浆"实际为富含矿熔体-流体流,后者因失去挥发份而呈"矿浆"状,以大的流体体积和流体/熔体比值为特征.数值模拟表明,往硫化物矿浆加入挥发份流体可以显著提高矿浆的上升能力.当加入的挥发份流体达到30vol.%时,受到质疑的密度问题将不复存在,矿浆具有快速上升到浅部地壳的能力.但是,如此富含挥发份的矿浆也不再是传统概念上的矿浆,而是含矿熔体-流体流.此外,由于流体超压等原因,含矿熔体-流体流利用先存的构造薄弱面快速上升,形成岩浆通道,并在有利的部位卸载成矿金属形成矿体.因此,矿体常常侵入切割围岩.     

闽西南廖天山破火山活动过程与岩石成因：锆石U- Pb、Hf同位素及微量元素制约

火山是岩浆活动在地表的主要呈现形式,古老火山由于剥蚀作用出露多阶段火山喷发产物及岩浆通道、岩浆房等,从而为揭示岩浆房内部结构和成分演化提供重要窗口。锆石在长期结晶生长过程中,能够记录岩浆系统的结晶分异、晶体- 熔体分离和岩浆补给等过程。闽西南晚侏罗世廖天山破火山是保存最完整的中国东南部晚中生代早期代表性破火山之一,本文对其开展锆石U- Pb年代学、Lu- Hf同位素组成和微量元素成分分析,以期揭示其火山活动时序、岩浆来源和演化过程。廖天山火山活动具有阶段性和多期次性,一段火山活动开始于约161. 5±0. 7 Ma,喷发断续且规模较为有限;二段火山岩形成于159. 9±0. 9~156. 9±0. 8 Ma,该时段喷发产物规模巨大,构成破火山主体;最后岩浆在153. 2±0. 7 Ma沿火山通道侵出形成流纹斑岩岩穹,标志着火山活动的结束。锆石Lu- Hf同位素组成显示,廖天山破火山岩浆主要源于古元古代地壳基底的部分重熔,但有不同程度的亏损幔源物质贡献,且在三个火山活动阶段中幔源物质参与比例不同,二段火山岩中相对较低。不同批次岩浆可能从源区分别上升,在深部岩浆房发生岩浆混合,而后在浅部岩浆房短暂留存发生分离结晶作用。根据岩浆来源的变化和火山岩相组合,我们认为廖天山火山活动形成于相对挤压转向伸展的构造环境,受制于晚侏罗世古太平洋板块俯冲以及板片俯冲角度变化的地球动力学背景。     

火成岩中的超临界流体晶及其研究意义

流行火成岩理论中,岩浆被默认为自然熔体,因而火成岩中的矿物晶体都形成于熔体的结晶作用,可称为熔体晶。许多证据表明,火成岩中也可以含有从超临界流体析出的晶体,被称为超临界流体晶(文中简称为流体晶)。根据三个典型实例分析,流体晶既可以从超临界流体直接析出,类似于从热液析出晶体的过程;也可以由超临界流体浓缩产生的熔体结晶形成。不管是哪一种晶出方式,流体晶产生的前提都是岩浆达到流体过饱和态;而满足这一前提的基本条件则是透岩浆流体过程和岩浆快速上升。结合前人关于熔体流体平衡条件的研究进展,以及熔体黏度对挥发分含量和岩浆上升速度对熔体黏度的依赖,发现透岩浆流体过程与岩浆上升过程之间具有耦合关系,这种关系可以用来阐明岩浆系统行为非线性变化的原因。流体晶的研究具有重要意义,可用于：(1)提供一种研究岩浆系统流体条件的新途径;(2)揭示岩浆系统偏离理想态的程度;(3)为反演岩浆系统动力学过程提供新的约束;(4)为识别致矿侵入体和评估侵入体的找矿潜力提供新的矿物学标志;(5)理解火成岩理论中一些长期得不到解决的问题,如岩浆中挥发分溶解度问题、冻结岩浆的活化问题、岩浆成矿专属性问题。     

邯邢式铁矿形成机制:来自河北武安斑状二长岩中“含铁熔体-流体”的证据

人们对邯邢式铁矿形成机制一直存在争议。为解决这一科学问题,本文对在河北武安赵庄地区斑状二长岩中发现的“含铁熔体-流体”脉及团斑进行了详细的矿物学及岩石学研究。结果显示:“含铁熔体-流体”矿物组合分带明显,其中核部矿物组合为Di+Amp+Mt+Ap+Pl,边部矿物组合为Prh+Cal。“含铁熔体-流体”中磁铁矿具有明显的环带结构,中心部分TiO₂含量为2.23%,边部磁铁矿TiO₂含量为0.36%0.57%。核部∑REE高过边部两个数量级,在球粒陨石标准化稀土元素分配图中呈右倾型曲线,与武安地区侵入岩同源,在未经流体加入时的高温岩浆环境中结晶。边部磁铁矿在球粒陨石标准化稀土元素分配图中显示REE轻微亏损,且有明显的Ce负异常,指示了磁铁矿结晶环境有大量富含挥发分的流体加入。在磁铁矿(Ti+V)-(Al+Mn)图解中,“含铁熔体-流体”中的磁铁矿落于斑岩型磁铁矿和Fe-Ti、V型磁铁矿区域,也处于热液型磁铁矿与岩浆型磁铁矿之间。这表明“含铁熔体-流体”并非侵入岩与围岩发生接触交代反应后形成的远端夕卡岩脉,而是源于深部的“含铁熔体-流体”在浅部结晶的产物。以高钛、富集REE为特征的磁铁矿是深部岩浆房铁矿浆结晶的磁铁矿微晶。由于富含挥发分的流体注入岩浆房形成流体超压,磁铁矿微晶与气泡结合沿岩浆通道快速上升。最后在1.552.19 km的深度形成以低Ti、亏损REE为特征的磁铁矿,并结晶形成角闪石等流体晶矿物。     

攀西地区镁铁质岩浆成矿系统的流体动力学模型

尽管镁铁质侵入体及其与成矿作用的关系得到了特别关注,但有许多科学问题迄今仍模糊不清。基于新的野外观察和理论分析,文中提出一个复杂性流体动力学模型,试图整合解释矿床地质学、矿相学和矿物学特征。假定岩浆成矿系统的行为取决于熔体和流体两个子系统的强相互作用,系统演化过程中子系统物理性质的连续改变可以导致多种非线性变化:(1)熔体子系统未发生明显结晶作用之前,含矿流体弥漫式透过熔体向上迁移,产生具有隐性火成层理的致矿侵入体和浸染状整合矿体。在这种条件下,高速运动的含矿流体可以导致岩浆侵入体全岩矿化;较低速上升的含矿流体也可以导致强烈的岩浆分异作用,但岩浆侵入体的边缘部分将没有成矿金属的富集。(2)岩浆侵入体部分固结(如半固结)时,含矿流体只能大规模输入到岩体中心尚未固结的部分,并导致强烈的双扩散对流,产生明显的韵律性层理和整合型块状矿体。(3)岩浆侵入体接近完全固结时,巨大的流体超压或远场应力场可导致板状侵入体沿补给通道方向破裂,含矿流体上升导致了不整合矿体的产生。(4)岩浆侵入体完全固结之后,后续含矿流体只能沿着层状侵入体与底板围岩的接触带迁移,形成新型板状矿体或巢状矿体,甚至夕卡岩型矿体。(5)富氧化物流体之后还可以有富硫化物流体上升,有利于产生硫化物矿体。这种分析大致符合攀西地区的客观实际,因而可以得出结论：(1)岩浆侵入体是否成为致矿侵入体取决于含矿流体的输入,而不是岩浆分异作用;(2)致矿侵入体的分异特征是含矿流体输入的结果,而不是相反;(3)镁铁质岩浆成矿系统是一种复杂性动力系统,含矿流体的输入是其行为发生非线性变化的根本原因;(4)攀西地区的镁铁质岩浆成矿系统包括整合型(包括块状和浸染状两种亚型)、不整合型和夕卡岩型铁矿子系统以及浸染状和块状硫化物型成矿子系统;(5)攀西地区的铁矿体不仅仅位于层状岩体之内,下伏围岩中也有找矿潜力,甚至发现块状硫化物的潜力。     

中国东南沿海晚白垩世长屿火山的活动过程与古环境意义SCIEI北大核心CSCD

火山是唯一能够直接反映地球深部存在岩浆的地球动力学现象,对于地球气候演变和宜居性具有重要影响。相比年轻火山,古老火山因其活动过程完整、且可能剥蚀出露多阶段火山喷发产物及岩浆通道、岩浆房等,从而为揭示火山岩浆系统演化和火山活动过程提供重要的研究窗口。本文选择中国东南沿海晚白垩世长屿破火山为研究对象,对其开展火山地质、岩石学、年代学及地球化学研究,以期揭示其火山活动历史及其对中国东南沿海白垩纪古环境的启示意义。长屿火山出露面积约100km^(2),呈近圆形分布,具有较厚的火山地层厚度(总厚度约570m),类似于破火山内的火山堆积特点。由早至晚三个喷发阶段形成的流纹质角砾凝灰岩都显示了典型的火山碎屑流相的特点,发育典型的条纹斑状结构,但表现出不同的晶屑、玻屑及岩屑含量以及熔结程度等岩相学特征,反映火山喷发从初始到高峰、再到减弱的过程,最后岩浆沿火山通道侵出形成流纹斑岩穹隆,标志着火山活动的结束。长屿火山的火山碎屑流式喷发伴随着快速的岩浆房塌陷,以及缺少普林尼式空落堆积,反映了火山活动发生在伸展的构造背景。系统的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究获得了不同阶段火山岩一致的形成年龄(97~96Ma),暗示它们具有较短的形成时限,是由同期火山岩浆活动先后喷发形成的。长屿火山岩高的SiO_(2)含量(67%~76%)以及分异的锆石微量元素地球化学特征,表明喷发岩浆来自晶粥提取的熔体,并有晶粥来源晶体的混入。此外,我们在长屿火山岩中发现了南洋杉型丝炭化木(贝壳杉型木属),暗示晚白垩世中国东南沿海地区可能为温暖湿润的亚热带山地气候环境,表明中国东南沿海白垩纪大规模火山活动,在古武夷山脉以东地区形成了地形高耸的海岸山脉。     

盆地深部流体活动对砂岩型铀矿成矿过程的影响

砂岩型铀矿是世界和我国最主要的工业铀矿床类型。勘查和研究发现,部分砂岩型铀矿床中不仅有表生氧化流体作用而且也存在深部流体作用,因此,梳理和明晰盆地深部流体活动的类型及其与砂岩型铀成矿之间的关系对开展“三新”(新区、新层位和新类型)找矿至关重要。本文从宏观和微观角度分析深部流体活动参与砂岩型铀成矿的现状,结合矿床实例,探讨其对铀富集的影响。本次研究将盆地深部流体活动分为深部烃类流体、岩浆火山热液和深部建造水等3种类型,总结了不同类型流体的典型特征与识别标志,分类论述了深部流体活动与铀矿化的时- 空关系;阐述了深部流体活动参与下铀矿物、共- 伴生矿物、矿体形态和含矿砂岩物性等的变化特征。结果表明,深部流体活动主要通过提供新的成矿物质和改变成矿环境两个方面影响砂岩型铀矿的形成,与构造- 岩浆活动有关的流体和深部地层水,对成矿铀源和温度的影响最显著,而深部烃类流体对成矿环境的影响最大,其显著的还原性可弥补或强化赋矿层的还原能力,形成地球化学障或叠加富集效应。深部流体活动参与下的砂岩型铀矿成矿作用与浅部表生氧化流体成矿存在明显的差异,随着铀矿勘查向深部迈进,需要加强深部流体活动参与铀成矿过程的精细研究,丰富砂岩型铀矿成矿理论,推动铀矿勘查的突破。     

关于现代海底热液活动系统模式的思考

现代海底热液活动往往与岩浆作用相伴生.传统的热液系统循环模式认为:海水沿裂隙（通道）下渗,被加热并与围岩发生水岩反应,萃取岩石中的金属元素,形成热液流体并上涌喷出海底,沉积生成多金属硫化物矿体.这一模式合理地解释了构成现代海底热液系统的3个基本要素:流体、通道和热源,与我们现今条件下所观察到的许多事实相吻合.然而,基岩渗透率、热液流体性质、热液生态系统和热液产物上的差异表明现代海底热液活动系统可能存在另一种注入式循环模式,即热液流体来自深部岩浆房流体和挥发性组分的直接注入.据此提出现代海底热液活动系统可能存在两种模式:一种是浅层循环模式,即传统的热液循环模式;另一种是岩浆后期热液注入模式（简称"注入模式"）.在岩浆作用强烈和构造裂隙发育的环境中,两种模式可能同时存在,形成双扩散对流循环模式.双扩散对流循环模式可以很好地解释现代海底热液活动研究中近期所发现的多种现象和事实.对弧后盆地而言,在研究其岩浆作用与热液活动时,还要考虑板块俯冲的构造背景和俯冲组分及陆壳组分加入等因素,同时构建了适用于弧后盆地海底热液活动系统的理论模型.      

长白山火山岩浆柱岩浆上升作用过程

长白山火山岩浆柱是一个在长白山区地下总体呈串珠状排列的向东南倾斜的层状富岩浆集合体,岩浆柱宽度宽者300～500 km,窄者30～50 km,深度延伸可达上千km。在这个岩浆柱内,热物质聚集与挥发份富集可以发生部分熔融而形成不同成分与密度的岩浆,岩浆聚集上升至某个深度时的停滞聚集又可形成水平向扩展的岩浆房,压力作用下岩浆房内岩浆演化出密度较轻的岩浆则可进一步上升直至喷出地表。天池火山的母岩浆粗面玄武岩来自地幔岩浆库,由其演化形成的碱型系列粗面岩类和碱流岩类岩石则来自地壳岩浆房。拉斑玄武岩系列的偏酸性岩石来源的地壳岩浆房与碱型系列碱流岩来源的地壳岩浆房深度位置也不相同。天池火山造盾玄武岩TiO2含量和SiO2含量之间反相关关系不能单纯用岩浆房分异结晶来解释,TiO2含量较高的样品代表了源区地幔的较低熔融程度的熔体,而低程度熔融的岩浆来源于更深的位置。玄武质岩浆“熔融结束”的深度随时间的增加而增加的过程控制了岩浆形成深度随时间的增加而增加并且岩浆形成速率随时间的增加而降低的规律。天池火山碱流质岩浆房千年大喷发时岩浆超压极大值Δpmax=625 MPa,层状岩浆房半径35 km,喷出岩浆层厚700 m,喷出岩浆体积30 km3;粗面质喷发的岩浆房超压极大值Δpmax=15 MPa以上。天池火山千年大喷发时临界喷发熔体黏度μcritm>27×1010 Pa·s-1,碱流质岩浆是从一个粗面质岩浆母体经几万年的结晶分异时间演化得来的。气象站寄生火山活动喷发前临界熔体黏度μcritm=12×1011 Pa·s-1,这极高的熔体黏度与喷发物中含有大量晶体与气泡相吻合。千年大喷发级别的大规模喷发周期上万年,远大于小规模喷发几百年以内的时间周期。天池火山作用造盾阶段因为玄武岩都直接喷出了地表,多数传导与扩散的岩浆热都没有用于加热深地壳,所以早期加热效率不高。在1～16 Ma之后造锥阶段在深地壳内形成残余的部分熔融带并阻止了玄武岩的喷发,系统的热效率变得很高,残余熔体生产率也就得到了加速。全新世造伊格尼姆岩喷发阶段大量的演化的碱流质残余熔体因重力不稳定而侵入上地壳内,并且形成大得足以引起造破火山口喷发的岩浆房。     

长英质岩浆中不混溶流体的运移机理——兼论成矿作用发生的条件

与岩浆作用有关的热液矿床的形成,在一定程度上是岩浆体系内富含挥发分流体的组成、压力及性质演变的结果。长英质岩浆中无水硅酸盐矿物的结晶导致挥发性组分以气泡形式存在。气泡的体积随岩浆演化程度增强而不断增大,由于两不混溶流体之密度差而产生的力的作用使气泡相对硅酸盐熔体（＋晶体）超前向上迁移,最终到达岩浆房顶部。长英质岩浆中富含挥发分流体的迁移运动是通过气泡的上浮实现的。气泡能否上浮主要取决于气泡的体积大小和受力的强度。只有体积较大的气泡才可能迅速迁移并到达岩浆房顶部。修正后的Ｄａｒｃｙ定律对气泡（岩浆体系中的流体）的上述运动特征给予了物理学方法的描述。     

成矿侵入体的岩石学标志

侵入体的含矿性是资源勘查领域最为关注的问题之一。确定含矿性的宏观标志并为其提供理论基础因而是科学研究的重要任务。但是,传统岩石学研究主要关注含少量水体系或干体系的形成与演化,内生金属成矿作用却主要与流体有关,所取得的岩石学认识常常不适应矿区的地质实际。本文基于透岩浆流体成矿理论分析了熔浆-流体相互作用的性质及其对成矿作用的可能影响,指出在大量流体参与的情况下,成岩过程将具有明显不同的特征,并留下显著的岩石学标志。流体的增减可以导致岩浆密度和黏度的巨大变化,也导致熔浆固相线温度和首晶区矿物相类型和共结成分的变化,因而侵入岩结构构造特征可反映流体参与成岩过程的程度,并指示侵入体的成矿潜力。熔浆与流体的分离导致岩浆黏度增加和快速固结,达到临界值后必然圈闭部分含矿流体于颗粒之间和内部,因而含有造矿矿物的共结结构和浸染状构造确定性地指示了含矿流体通道的位置。多晶体岩浆的流变学特征与多斑斑状结构在矿区的广泛出现是一对线性系统中不可调和的矛盾,可以用含矿流体的突然大规模注入来解释。据此,可以认为多斑斑状是大部分成矿金属仍保留在侵入体内的可靠标志。此外,文章还提供了另外几个辅助性标志,可用于综合分析侵入体的含矿潜力。最后,作者得出结论,大量流体参与的成岩过程是一种非线性过程,可以产生一系列特殊的结构构造,对成矿作用具有重要的指示意义。     

斜长石结构和成分对开放体系下岩浆演化的指示:以浙江拔茅白垩纪英安岩为例

矿物的结构和成分可用来反演岩浆演化过程。为探讨酸性岩浆房内岩浆演化过程,以浙江拔茅火山主体英安岩中的斜长石为例,对其开展了矿物学、地球化学研究。结果显示,斜长石普遍具有核-幔-边结构,暗示其在喷发前处于开放性岩浆房内,并经历了复杂的岩浆过程。对代表性斜长石的电子探针成分及背散射图像分析表明,斜长石核部、幔部及边部分别具有不同的成因,反映了英安岩岩浆从深部聚集并在浅部岩浆房内周期性补给的过程。岩浆的这种周期性补给过程抑制了结晶分异作用对熔体成分的改变,全岩地球化学特征主要反映其源区特征及熔融过程。     

Numerical simulations of magma ascent along volcanic conduits

The process of magma ascent along volcanic conduits during explosive eruptions is numerically simulated by solving the transport equations in the one-dimensional, steady, and isothermal assumptions. The physical model considers the non-equilibrium multiphase flow of a mixture of liquid magma, crystals and/or lithic fragments, and exsolving gas. The liquid magma is treated as a mixture of 10 major oxides plus dissolved water and carbon dioxide, and the gas phase as a mixture of water and carbon dioxide. The model is characterized by a strong coupling between fluid dynamic and constitutive equations, whereby the magma properties like viscosity, density, and gas solubility are calculated on the basis of the chemical composition of the liquid magma and its crystal content, and of the physical conditions along the volcanic conduit. The model predictions obtained by considering many different eruptive conditions reveal complex and sometimes non-intuitive relations between the initial conditions and the predicted flow parameter distribution. The composition of the liquid magma and the amount and composition of volatiles are found to be of major importance in determining the dynamics of magma ascent during explosive eruptions. The results of this modeling can be useful to forecast the volcanic hazard at a given volcano, as the conduit exit flow parameters could constitute initial conditions to study the atmospheric dispersion of the gas-pyroclasts and the dynamics of pyroclastic flows.     

Fluid and magmatic processes in the formation of the Ary-Bulak ongonite massif (eastern Transbaikalia)

The paper discusses the formation conditions of the Ary-Bulak ongonite massif (eastern Transbaikalia). Studies of melt and fluid inclusions have shown that, along with crystalline phases and a silicate melt, ongonitic magma contained aqueous–saline fluids of different types, fluoride melts compositionally similar to fluorite, sellaite, cryolite, chiolite, and more complex aluminum fluorides as well as silicate melts with abnormal Cs and As contents. An ongonite melt crystallized with the participation of P–Q fluids as vapor solutions, presumably NaF-containing and slightly admixed with chlorides. We studied the properties and composition of brine inclusions from Ca- and F-rich rocks on the margin of the massif. Depending on the thermophysical properties of the host rocks and ongonite melt, the duration of its crystallization has been estimated for a magma chamber of the size and shape of the Ary-Bulak massif. Magma chamber cooling has been modeled, and the density, viscosity, and Rayleigh number of the ongonite melt have been estimated from the composition of silicate glasses in melt inclusions. These data strongly suggest intense convection in the residual magma chamber lasting for centuries. We have calculated possible fluid overpressure during the crystallization and degassing of the ongonite melt in a closed magma chamber.Calcium- and fluorine-rich aphyric and porphyritic rocks on the southwestern margin of the massif might have formed by the following mechanism. Local decompression in the magma chamber quenched an oxygen-containing calcium fluoride melt accumulated at the crystallization front, and then these rocks altered during the interaction with fluids. When penetrating the marginal zone, a P–Q magmatic fluid which coexisted with the melt in the residual chamber cooled and changed its composition and properties. This caused the fluid to boil and segregate into immiscible phases: a vapor solution and a brine extremely rich in Cl, F, K, Cs, Mn, Fe, and Al. The fluoride and silicate liquids were immiscible; the silicate melts had abnormal Cs and As contents; changes in the composition and properties of the magmatic fluids caused them to boil and produce brines. All this is evidence for complex fluid–magma interaction and heterogeneous ongonitic magma during the crystallization of the Ary-Bulak rocks. These processes were favored by the low viscosity and high mobility of the F- and water-rich ongonite melt, intense melt convection in the residual chamber, and rising fluid pressure during its degassing.     

The dynamics of magma-mixing during flow in volcanic conduits

The production of mixed magmas (streaky pumice) during flow in a volcanic conduit has been modelled in the laboratory by studying the flow of two miscible fluids of differing viscosity passing concentrically through a vertical pipe. In the experiments reported in this paper, the outermost fluid is the more viscous, as would be the case when two magmas are simultaneously tapped from a zoned chamber in which silicic magma overlies mafic magma. At a Reynolds number (Re) which is much less than that required for turbulence in isoviscous pipe flow, the interface between two liquids of different viscosity can become unstable. Growth of the instability and mixing proceed when Re, based on the properties of the inner, less viscous fluid (Re _i), is greater than approximately 3 if between 10% and 90% of the flowing fluid is composed of the more viscous fluid. Outside this range of flow rate ratios, higher Re _i and viscosity ratios are required to ensure mixing. When the viscosity ratio U10 the unstable flow takes the form of an asymmetric, sinusoidal wave and at higher viscosity ratios axisymmetric, bead-like waves are the dominant instability. Entrainment across the boundaries of these wavy interfaces results in the production of streaky mixtures of the two liquids. The degree of mixing increases with Re ₁, U and distance downstream. Application of experimental results to magmatic situations shows that mixing will be possible in eruptions which tap layers of different viscosity from a stratified chamber. If a volcanic feeder is allowed to become lined by silicic magma before a mafic magma layer is drawn up from the chamber then a mixed pumice (or lava) sequence will ensue. Alternatively, if draw-up occurs when the feeder is still propagating away from the chamber, the slower flowing silicic magma may be overtaken by the faster flowing mafic magma. The advancing conduit will then have mafic or hybrid chilled margins enclosing a silicic interior, i.e. the usual arrangement in composite dykes and sills. Simultaneous tapping of silicic and underlying mafic magmas from a chamber can thus lead to magma mixing and to the emplacement of either mixed pumice sequences or composite intrusions, depending on the history of magma withdrawal and the dynamics of flow in the conduit.     

Magma Chamber Process of Post-collisional Magmatism: Insight from Textural and Elemental Characteristics of Plagioclase from the Tatun Volcanic Group, Northern Taiwan Volcanic Zone

The Taiwan mountain belt, one of the youngest orogenies in the world, is caused by the collision of the Luzon arc with the Eurasian margin, which leads to post-collisional extension and magmatism in the Northern Taiwan Volcanic Zone (NTVZ). The magma chamber process in this region has not previously been elucidated in detail. In this paper, the textural and compositional features of plagioclase phenocrysts in basalt from the Tatun Volcanic Group (TTVG) were studied to restrict the dynamics of magma system. Results show that the magma melts in TTVG are mainly sourced from the underlying MORB-like mantle wedge but influenced by incorporation of subduction components, causing the elevated Sr/Y and Ba/Y ratios in magma melts. The subduction components are mainly transported in the form of sediment melt. The plagioclase phenocrysts in the TTVG volcanic rocks are generally coarsely core-sieved with a clear rim. The An contents in the rims of plagioclase are much lower than those of cores, and elevated FeO concentrations are detected in the plagioclase rims. We propose there exists a double-layer magma chamber in this region. The core of the plagioclase was crystalized in the deeper quiescent magma chamber (~21 km), which was subsequently partially dissolved during the ascent of magma melt under H2O-undersaturated condition, forming the typical coarsely sieved texture and synneusis. When this crystal-rich melt migrates into the shallower chamber, water saturation is reached and more sodic plagioclase formed as the rim of phenocryst. Due to the considerably higher fO2 in the shallow chamber than in the deeper one, and the distribution of Fe between plagioclase and melt positively correlates with fO2, the FeO content in the plagioclase rim elevates in conjunction with increasing fO2.     

Control on the emplacement of the andesite lava dome of the Soufriere Hills volcano, Montserrat by degassing-induced crystallization

Lava solidification is controlled by two mechanisms: external cooling and gas exsolution, the latter inducing crystallization due to increasing liquidus temperature. The andesite lava dome of the Soufriere Hills Volcano, Montserrat, is an extrusion dominated by crystallization caused by gas exsolution where cooling is unimportant in controlling emplacement. In the magma chamber the magma has an estimated viscosity of 7 × 10⁶ Pa s. During ascent, gas exsolution caused the magma to extrude in a highly crystalline state, with only 5–15% residual melt, viscosities in the range 10¹³–10¹⁴ Pa s and mechanical strength > 1 MPa. Deformation can be heterogeneous with extrusion along shear zones. Rheological stiffening in the upper conduit also causes large overpressures, shallow seismicity, and cyclic patterns of dome extrusion. Gas-rich porphyritic andesites tend to be the least mobile kind of lava, because transition from magma into hot crystalline material was reached during ascent.