硅质岩浆系统的晶粥活化作用及其岩石学记录

硅质岩浆系统近年来取得的重要研究进展是构建了由晶粥组成的地壳尺度岩浆系统模型，为理解岩浆储存和演化过程，以及大陆地壳的形成与分异提供了新视角。本文系统总结了晶粥活化在硅质岩浆系统中的作用和研究意义，指出晶粥活化是富晶体火山岩浆喷发前的关键步骤，同时晶粥活化促进了晶体-熔体分离和熔体的抽取，也是大规模贫晶体高硅流纹岩形成的重要机制，对理解火山岩和侵入岩成因联系以及活动火山喷发预测等均有重要意义。目前的研究显示，晶粥活化通常与高温偏基性岩浆补给有关，主要受控于热量和挥发分的输入，晶粥活化的时间尺度与其机制有关，但总体上很短，大约数年到数千年。富晶体火山岩、成分复杂的浆屑和浮岩碎屑、破火山内的复活侵入体，以及这些岩石中常见的富晶体包体、聚晶结构、堆晶结构、复杂的晶体群、矿物熔蚀结构和复杂成分环带等都记录了硅质岩浆系统中发生的晶粥活化过程。     

岩浆补给作用对硅质火山岩浆系统演化的制约

硅质火山喷发作为大陆地壳岩浆活动的重要表现，在研究大陆地壳形成与演化、探讨岩浆过程与动力学机制等方面具有重要的价值，其通常所表现的强烈爆炸式喷发，甚至可以导致全球性的环境和气候变迁。硅质岩浆系统在开放体系中不同来源岩浆的贡献和相互作用是目前研究的热点问题。持续的岩浆补给可以延长岩浆存储的时间，促进岩浆房的对流、岩浆的分异演化以及晶体 熔体的分离和晶粥的再活化，同时也是触发火山喷发的重要机制之一。此外，岩浆补给以及硅质岩浆的晶体 熔体演化过程也是火山喷发产物多样性的原因，导致同一火山在其活动过程中喷发产物规律性的变化，如富晶体火山岩、贫晶体火山岩、火山岩成分分层、以及复活岩穹和中央侵入体等。因此，岩浆补给作用是制约硅质火山岩浆系统演化和火山岩成分多样性的重要因素，也是活动火山监测和灾害评估的重要依据。岩石学、岩石地球化学、矿物(长石、石英、石榴子石、锆石等)同位素及成分变化，以及模拟实验、地震层析成像等研究为揭示硅质岩浆系统中的岩浆补给作用和复杂岩浆过程提供了多种视角。     

锆石微量元素地球化学对硅质火山岩浆系统的制约

大型硅质火山作用(喷发体积约102～104km~3)的岩浆系统是地壳尺度的,经历了复杂的起源、运移、存储、补给和喷发等过程。揭示岩浆从起源到喷发过程中的结晶分异、堆晶、晶体-熔体分离、地壳混染、岩浆补给、晶粥活化等岩浆作用的细节是认识硅质火山岩浆系统演化的关键。锆石中Th、U、Ti、Hf和REE等微量元素的含量和系统变化反映了锆石结晶熔体的成分、温度、氧逸度和水含量等以及共生的矿物相特征,对示踪火山岩浆系统的演化过程具有重要研究意义。随着岩浆温度降低过程中结晶分异作用的进行,锆石微量元素呈现出Hf含量升高、Ti含量降低以及Th/U、Eu/Eu~*和Zr/Hf等比值降低的趋势,这些元素含量和比值可以作为岩浆分异演化程度的指标。成矿斑岩中的锆石一般具有高的Ce~(4+)/Ce~(3+)和Eu/Eu~*值,反映了岩浆具有高的氧逸度和水含量。火山岩锆石可能经历多阶段结晶过程,因而形成复杂的核-边结构特征,核部具有熔蚀现象,边部CL较亮并具有低的Hf、U和高的Ti含量以及Eu/Eu~*值等,反映了岩浆补给作用和晶粥活化过程。由于锆石颗粒比较微小,在晶体-熔体分离过程可能随提取的熔体进入喷发岩浆房,从而可以连续记录岩浆成分的变化,或者残留在晶粥中记录晶体-熔体的分离。锆石微量元素结合高精度年代学分析,可以精细制约火山岩浆系统的多阶段演化过程及其时间尺度。在锆石微量元素数据的解释和筛选过程中,需注意扇形分区、锆石褪晶化和其他矿物包裹体对分析结果的影响,并同时开展岩相学研究,结合锆石产状和共生矿物组合特征,为制约火山岩浆系统的演化过程提供可靠信息。     

地壳硅质岩浆演化的动力学机制SCIEI北大核心CSCD

硅质岩浆的成因及演化机制研究是认识大陆地壳成分结构演化机制的关键途径。地壳硅质岩浆储库的基本性质及其演化的动力学过程是制约硅质岩浆演化及其多样性的根本原因,也是受到广泛关注的前沿和热点问题。本文总结了硅质岩浆储库的基本性质及其演化机制研究的相关进展,重点探讨了岩浆体系演化的动力学机制,即其物质成分及温度压力条件的动态演化过程,亦即岩浆储库在补给驱动下的存留、活化、分异、喷发过程。经由累积生长的方式形于地壳浅部的硅质岩浆储库以晶粥为主要赋存形式,具有较低的温度压力范围和高硅高结晶度高粘度的特征。岩浆储库的基本性质导致其自身不具有持续演化的能力,只有在基性岩浆补给的驱动下才能长时间存留分异或快速活化喷发。基性岩浆的补给及其携带的热及流体/挥发份深刻地改变了岩浆储库的物质成分及物理条件,是导致硅质岩浆分异演化或喷发的根本原因。本文还结合研究进展探讨了东南沿海地区中生代火山-侵入岩的成因演化机制及相关问题。     

晶粥储存、侵入体累积组装与花岗岩成因

花岗质岩浆在地壳内的储存、迁移和分异,是导致大陆地壳生长演化的基本过程.有关地壳岩浆冷储存的新发现,挑战了数十年来深部存在以熔融体为主要组成的大岩浆房的观点.对活火山区的地球物理探测、岩石矿物学研究以及热历史模拟都一致证明,岩浆储库中的物质以晶粥为主,它们长时间处于固相线下的温度条件,属于冷储存状态.今天出露地表的大型侵入岩体,是古岩浆储库的代表,它们大都是在数百万年甚至更长的时间跨度内,多幕式的岩浆输运、累积侵位和多次添加组装而成的.侵入体的累积组装,可以通过岩石单元间接触关系的观察、岩石和矿物成分的不均一性研究以及侵入体内大的结晶时间跨度来证明.地壳浅部大型侵入体的形成,大体积的火山喷发,都要求存在穿地壳的岩浆通道系统,该系统中岩浆主要以岩墙形式将不同深度的岩浆储库串联起来,并通过无数岩床的堆垛而形成巨大的岩株或岩基等侵入体.高分异花岗岩和高硅流纹岩的存在,尤其是火山的超级喷发现象,要求岩浆储库的晶粥体发生活化和分异,而晶粥的解体往往是由于从下部侵入的新岩浆注入了额外的热和流体.保留在岩石中的晶体种群蕴含了侵入体累积组装、晶粥活化和岩浆分异的线索.尤其是再循环晶可以提供岩浆通道系统结构和演变的新信息.未来,在花岗岩成因研究中,重点要从晶粥活化与岩浆分异演化过程、岩浆上升和组装机制、火山岩与侵入岩的成因联系等方面入手,开展岩浆通道系统的跨学科研究,构建花岗岩岩浆过程研究的新范式,深入认识大陆地壳的生长和演化机理.      

花岗岩体的累积生长与高结晶度岩浆的分异

花岗岩成因研究是认识大陆地壳形成和分异的有效方式。野外地质和地球物理观测、岩石学和地质年代学研究以及热演化模拟证明,很多花岗岩体是在数百万年甚至更长的时间跨度内、由多次岩浆累积添加侵位而成的。地壳内可能不存在岩基尺度的大岩浆房,具有流动能力的岩浆体一般规模很小(宽度1000m)。1000m宽的岩浆体冷凝到固相线只需要数千年时间。复式岩体的形成一般要经历三个阶段,即源区岩浆沿岩墙的上升、在脆-韧性地层界面处岩墙转化为岩床以及无数的岩床的垂向堆垛导致侵入体长大。存在于上地壳的岩浆储库,特别是多次先后侵位产生的岩浆体,主体上是晶粥体,其晶体含量高,粘度大,活动性弱,不利于发生对流、分异和混合。当幔源镁铁质岩浆大规模注入到地壳时,使粘稠的晶粥状岩浆受到加热,熔体含量增大,岩浆的粘度降低,引起岩浆体内部的成分分异和不同成分的岩浆之间的混合;当逐渐加厚的熔体层产生了足够大的浮力后,特别是有挥发份加入后,就会快速上升,甚至穿透上部的晶粥体,触发大规模的火山喷发。幔源岩浆的通量越大,地壳岩浆的活动性也越强,大规模的长英质岩浆聚集就可能发生大喷发,形成超级火山。本文提出,只有将侵入岩与火山岩相结合、长英质岩石与镁铁质岩石相结合,重点从侵入体形成的时间长短、岩浆相互作用的规模和频率、岩浆通量的演变、高结晶度的岩浆分异机理、侵入岩与火山岩的关系、地幔热和物质的贡献、挥发份在岩浆分异和火山喷发中的作用等方面入手,开展野外地质、岩石学、地球化学、同位素年代学及岩浆动力学的综合研究,才能深入认识花岗岩的成因机制,深化对大陆地壳形成和演化过程的理解。     

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。     

浙东括苍山-雁荡山破火山白垩纪多旋回火山-侵入杂岩成因研究

浙东括苍山-雁荡山破火山由时空上关联的括苍山巨型环状破火山及其东南缘的雁荡山破火山构成。为重塑该地区白垩纪岩浆演化历史，本文在结合雁荡山火山-侵入杂岩地质资料的基础上，对括苍山早期流纹质熔结凝灰岩和石英二长闪长岩进行了锆石年代学、地球化学分析。结果表明，括苍山-雁荡山破火山岩浆活动时间为130～98 Ma,具有多个旋回的结晶年龄和同位素组成相仿的巨厚火山岩地层和未喷发的富晶体侵入岩。火山岩和侵入岩可由分离结晶作用联系起来，前者由晶粥内晶体间熔体抽提形成，后者由残余熔体和晶体形成。从括苍山-雁荡山破火山的火山岩地层厚度、规模及区域性火山岩分布特点可知，浙东岩浆活动高峰期为130～120 Ma及112～88 Ma,前者岩浆活动规模大于后者，它们分别对应于古太平洋板块快速后撤及缓慢后撤的两个阶段，而120～112 Ma为陆缘伸展作用停滞的岩浆活动沉寂期。     

浙东晚白垩世酸性岩浆的自混合作用及其意义

岩浆混合作用是造成火成岩多样性的主要原因之一,也是诱发火山喷发的重要机制。以往的研究多集中于基性和酸性岩浆之间的混合作用,但近年来酸性岩浆之间的混合作用受到越来越多的关注和研究。本文报道了浙东小雄破火山一个次级火山口内粗面质和流纹质两种酸性岩浆之间的混合现象。野外调查及岩相学研究显示,粗面质岩浆多呈大小不一的条带状以及透镜体状分布于流纹质岩浆内,局部发生扩散,粗面岩中斑晶大多为粗大的正长石斑晶,强烈熔蚀且聚斑结构普遍;在副矿物聚晶(由钛磁铁矿+磷灰石+锆石组成)的周围常可见反应边结构。流纹岩的斑晶主要由正长石、透长石及石英组成,晶体粒径较小,且熔蚀现象不发育。全岩主、微量元素特征及其他地质证据均显示,两种酸性岩浆之间以机械混合为主,其地球化学成分变化趋势主要受结晶分异过程控制。粗面质及流纹质岩浆在矿物组成、结构等方面的差异表明两者来源于同一层状岩浆房内的不同部位,其中粗面质岩浆应代表岩浆房底部及边部富晶体、贫熔体的粥状层部分(正长石+磁钛铁矿+锆石+磷灰石);而分异程度较高的流纹质岩浆则聚集于岩浆房上部形成富熔体、贫晶体的部分。两种酸性岩浆的混合现象是它们在地壳浅部层状岩浆房内自混合的结果,这一过程可能受岩浆房底部基性岩浆的聚集作用所控制,当更热、更基性的岩浆聚集时,岩浆房下部晶粥区内的粗面质岩浆迅速升温、活化,从而向上运移并与上部富熔体贫晶体的流纹质岩浆发生自混合作用。这一发现为我们理解中国东南沿海地区晚中生代大规模酸性火山喷发及岩浆演化机制、岩浆房结构提供了重要的参考,同时也为认识地壳浅部岩浆房内岩浆之间的自混合作用提供了可靠的例证。     

五大连池钾质火山岩中的壳源捕虏体特征及地质意义

黑龙江省五大连池钾质火山岩石中普遍含有壳源捕虏体和捕虏晶,并多赋存于火山集块、浮岩砾、火山渣等各级火山碎屑物及盾状台地的表皮相到内部相火山熔岩中。花岗岩质捕虏体一般大小为5～50cm,捕虏晶一般为0.2～5mm,成分以二长花岗岩为主,少见花岗闪长岩及黑云母英云闪长岩和少量砂岩捕虏体。石英、斜长石、少数钾长石捕虏晶见于各期火山碎屑(物)和熔岩中,其中以石英捕虏晶最为常见。壳源捕虏体中的代表性矿物及浅色玻璃电子探针分析结果表明,火山岩SiO2偏高是岩浆上涌喷发过程中捕获了大量壳源物质的结果。五大连池火山群富钾火山岩岩石化学、地球化学长期保持均一,说明其岩浆直接来自EMⅠ型钾质地幔,岩浆在上升过程中遭受了地壳物质的明显混染。     

火山岩—侵入岩的联系

关于侵入岩和火山岩二者之间的联系,已有上百年的争论。该争论主要集中于中—酸性岩,对于长英质火山岩的岩浆来源目前主要有2种观点：（1）由花岗质岩浆的“晶粥”中的熔体抽离而来;（2）与同期侵入岩无关,具有独立的岩浆形成过程。近些年来,随着高精度定年测试方法的进步和地球物理等研究方式的介入,对长英质火山岩和侵入岩二者的成因联系有了新的认知,“晶粥”模型和“穿地壳岩浆系统”受到较多关注,但同时也带来了新的矛盾和问题。文章系统总结了火山岩与侵入岩联系的不同观点、历史沿革、以及不同研究方法引起的争议,展望了该领域未来研究前景;提出大数据总体上展现出的长英质火山岩和侵入岩之间强烈的地球化学相似性,但这种总体上的相似性并不排除特定区域某个火山—侵入杂岩中的火山岩和侵入岩之间存在地球化学的差异,并在成因上符合“晶粥”模型。文章指出,深部探测、原位精细分析和实验模拟是火山岩—侵入岩成因联系研究方面有望取得突破的重要研究方向,而将火山岩—侵入岩形成机制与大陆演化和环境变迁等问题的研究有机结合可能是未来的重要研究领域。     

Felsic lavas or rheomorphic ignimbrites: is there a chemical distinction?

In the environment of felsic magma generation associated with continental flood basalt (CFB) provinces there is a close association between magma composition, phenocryst assemblage, temperature and eruption mechanism. In this paper we propose that by examining the chemical composition and, in particular the high field strength element (Zr and Nb) contents of the high silica rocks, we can identify those that contained halogen-rich volatiles and which degassed at different levels (deep versus shallow). The degassing depth has a direct influence on the type of eruption, with shallow degassing promoting explosive rather than effusive behaviour and consequentially the former is more likely to give rise to ignimbrites. Thus, we can infer likely eruption mechanisms, as high concentrations of F and Cl dramatically decrease magma viscosities and should favour deep degassing and hence promote lava effusion rather than explosive pyroclastic eruption. This hypothesis is tested by constraining the other possible variables which have an effect on the mode of eruption, and by examining the nature and composition of melt and fluid inclusions in quartz from CFB-associated felsic volcanic rocks.     

松辽盆地含CO_2火山岩气藏的形成和分布

松辽盆地特有的深部构造背景和裂谷演化特征,造成盆地内含CO_2火山岩气藏的形成和富集。松辽裂谷盆地中新生代火山岩浆活动发育,总体上具有多期喷发、分布广泛和储集条件良好的特点。火山活动以中心式喷发为主,主要发育中基性-酸性火山岩,发育流纹岩、凝灰岩等多种岩石类型,爆发相和溢流相2种火山岩相。中生代火山岩在盆地内分布广泛,营域组构成深层有利储层,新生代火山岩在盆地外围出露较多,而在盆内出露较少。盆地高含量的二氧化碳为无机幔源成因,由青山口期和新生代幔源岩浆脱气形成。含CO_2火山岩气藏的形成主要受深部构造背景、深大断裂和中新生代火山岩控制。已发现含CO_2火山岩气藏主要分布于古中央隆起带及其两侧断陷的营城组火山岩中,具有点状、带状分布,局部富集的特点。根据主控因素分析,预测了5个CO_2富集区带。     

The petrologic evolution and pre-eruptive conditions of the rhyolitic Kos Plateau Tuff (Aegean arc)

The Kos Plateau Tuff is a large (>60 km³) and young (160 k.y.) calc-alkaline, high-SiO₂ rhyolitic ignimbrite from the active Kos-Nisyros volcanic center in the Aegean arc (Greece). Combined textural, petrological and geochemical information suggest that (1) the system evolved dominantly by crystal fractionation from (mostly unerupted) more mafic parents, (2) the magma chamber grew over ≥ 250 000 years at shallow depth (～1.5-2.5 kb) and was stored as a H₂O-rich crystalline mush close to its solidus (～670-750°C), (3) the eruption occurred after a reheating event triggered by the intrusion of hydrous mafic magma at the base of the rhyolitic mush. Rare banded pumices indicate that the mafic magma only mingled with a trivial portion of resident crystal-rich rhyolite; most of the mush was remobilized following partial melting of quartz and feldspars induced by advection of heat and volatiles from the underplated, hotter mafic influx.