美国西部杰梅斯山脉，火山场的长寿命岩浆系统，以及补给动力学

文丨波波百谈

编辑丨波波百谈

锆石具有在岩浆再夹带中幸存下来的潜力，同时保留其原始年龄和成分。锆石被认为是揭示岩浆寿命和组装历史的最有用的岩石学工具。根据锆石年龄的变化，浅地壳中的大型火山系统的寿命经常被发现>100 ky。

长时间的岩浆储存可以用混合晶体熔融糊状模型来解释，因为部分熔融的岩浆状态可能比熔融主导的岩浆室更热有效。这种长寿命的岩浆储层可以在其大部分生命周期内储存在接近固相的条件下，只要岩浆供应率足以保持系统运行，就可以通过恢复活力来打断。

新墨西哥州中北部的杰梅斯山脉火山场位于格兰德河裂谷和杰梅斯谱系的交界处，这是一条新元古代俯冲诱导的缝合线。在古生代沉积岩和远古代基底的基质上，早期喷发产物从10到6 Ma不等，从玄武岩熔岩到流纹岩熔岩，以1000公里为主安山岩优势中间成分帕利萨峡谷组。

在0.5 Myr中断后，JMVF北部和东部再次发生火山喷发，体积上以达克石为主的中硅Tschicoma组，在5.5至2Ma之间爆发。

火山活动的这一新阶段对应于当地构造活动的重新激活，该构造活动从Cañada de Cochiti断裂带向东移动到5-4 Ma的Pajarito断裂带。

Tschicoma活动的后期阶段伴随着外围地区的镁铁质熔岩喷发。在1.85 Ma的小规模流质喷发之后，分别在1.60和1.25 Ma处的两次火山口，形成喷发产生了班德利凝灰岩的大量Otowi和Tshirege成员。

在基于全岩地球化学以及矿物质地和化学的 Tschicoma 岩石成因过程中发生了岩浆混合。从全岩地球化学来看，Rowe等人将Tschicoma组的化学变异性建模为玄武岩安山岩和硅质地壳末端构件之间的简单混合物。

Wu等人对来自Tschicoma dacites的主要矿物相进行了详细的化学和纹理研究，表明具有三个镁铁质端体和一个硅质端体的更复杂的岩浆演化。具有不平衡质地的斜长石通常具有贫钙核心和富钙边缘，与岩浆混合或补给一致，而两组闪石，以低铝和高铝组成为特征，分别表示低温和高温结晶。贫钙斜长石和低铝低温闪石在上地壳硅质糊中结晶，该泥浆经常被中下地壳进化较少的岩浆补充。

锆石晶体在形态和质地上在形态和质地上相似。锆石颗粒是透明的，或者偶尔呈棕色，并且都富含内含物。大多数晶粒是短到长的棱柱，长度为140-480μm，宽度为~60-240μm，长宽比为1.5-4.9。

与通常具有平坦表面和锋利边缘的岩浆锆石相比，许多 Tschicoma 锆石晶体有些圆形，这表明喷发前晶体吸收。在大多数锆石颗粒中观察到核心和轮辋之间的明显纹理差异。锆石芯主要是扇形分区，有时可能是斑块状或均匀的，轮辋通常是振荡或扇形分区的。在核心和轮辋之间通常观察到单个再吸收表面;多次吸收不明显。

尽管来自 MG dacite 的锆石记录的年龄系统地比来自 CP dacite 的锆石年龄大（分别为 3.50-4.86 Ma 和 3.12-4.46 Ma），在第一次锆石生长事件之后，年龄大 0.28-0.50 马币（MG 和 CP 锆石分别为 4.86 Ma 和 4.46 Ma）。

在这两个样本中，锆石核心和轮辋的年龄跨度相似，MG锆石的年龄跨度为3.50-4.86 Ma和3.53-4.55 Ma，CP锆石的年龄跨度为3.21-4.46 Ma和3.12-3.72 Ma。对相同锆石颗粒的岩心和轮辋分析往往显示年龄差异。

两个样品中高达 720–740 kyr。时间尺度上的长期锆石结晶远远超出分析不确定性的范围，这意味着加权平均年龄（分别为 4.10 ± 0.09 Ma、N = 48 和 3.50 ± 0.09 Ma、N = 39，95% ）不能恰当地描述数据的复杂性，这从相应的加权偏差的非常大的均方中可以明显看出（MSWD = 12 和 14，）。

MG dacite 的计算年龄（3.59 ± 0.10 Ma，MSWD = 0.74，N = 4，95% ）与40奥拉39喷发年龄（从3.66±0.09到4.49±0.15Ma）。然而，CP dacite 的年龄（3.21 ± 0.05 Ma，MSWD = 0.41，N = 10，95% ），但与K-Ar年龄（2.96±0.27 Ma，）一致。

熔体和锆石之间同位素的分馏由熔体成分和温度控制;我们使用δ18O锆石和δ18O融化表示δ18O 值分别为锆石及其主体熔体。T钛锆石计算公式为二氧化硅= 1.0和二氧化钛= 0.78;一二氧化钛值基于平衡的Fe-Ti氧化物对的组成。

在二氧化钛值仅导致平均温度升高28°C，小于温度计本身的不确定性。我们使用平均温度进行计算，因为温度升高 50 °C会导致 Δ 降低熔融锆石价值。全岩石成分不太可能代表与 MG 和 CP 锆石平衡的熔体，因为 MG 和 CP 达克石富含晶体，并且锆石在令吉的时间跨度内结晶。

与Tschicoma锆石平衡熔体的主要元素成分是通过质量平衡从整个岩石成分中减去主要矿物相来计算的。矿物的体积百分比基于薄片的点计数，斜长石、辉石和闪石的主要元素组成是基于电子微探针分析的平均值。

使用计算的熔体主要成分和全岩Zr浓度，基于Watson和Harrison计算出的锆石饱和温度为780°C，高于加权平均值T钛锆石在730°C时。 鉴于其化学成分的多样性，Tschicoma 锆石可能已经从一系列熔体成分中结晶出来。Δ 的计算18O熔融锆石使用 MG 和 CP 全岩成分降低 。

Δ18O熔融锆石值为 0.26–0.27‰。与大δ相比，这些不确定性相对较小18O变化。对于 Δ18O熔融锆石计算，帕利萨峡谷熔体成分也是通过从全岩成分中去除主要矿物相的质量平衡来计算的;Δ18O熔融锆石与基于帕里扎峡谷全岩成分的结果相比，该值仅增加了0.13‰。

对于熊头流纹岩，我们简单地使用全岩石成分来计算Δ18O熔融锆石鉴于其低晶体含量。两个样本具有相似的δ18O融化PDF 曲线峰值高于正常δ18O范围，而MG dacite在正常地幔范围内有一个小肩。

MG 和 CP 达克石产生相似的加权平均锆石衍生δ18O融化值（分别为 6.72 ± 0.51‰ 和 6.79 ± 0.37‰;）。尽管锆石芯和轮辋在δ上都记录了类似的巨大变化18O融化，对相同晶粒的大多数岩心和轮辋分析显示，两个样品的轮辋向增加。

Tschicoma锆石中的微量元素浓度显示出很大的变化，并且不遵循明显的广泛模式。来自MG和CP样品的同时期锆石颗粒具有相似的痕量元素组成，因此，所有锆石颗粒在成分年龄空间中形成连续体。

在 MG 达克石中，锆石芯通常表现出比轮辋更大的化学变化。Y + REE（20 对锆石芯-边缘对中的 27 对）和 Nb（17 对中有 27 对）的边缘向向明显降低，以及 Eu 异常（11 对中有 18 对）增加，总体上与 U-Pb 年龄相关。其他微量元素的芯缘变化不遵循任何一致的模式。

锆石衍生的熔体显示出更大的稀土元素，锆石衍生的熔体和整块岩石都具有富含轻稀土元素 的图案。与重稀土元素相比，从大多数锆石芯和几乎所有轮辋计算的熔体在中间稀土元素中略有耗尽。分区数据上1σ误差的传播略微移动了计算的平衡熔体成分，但总体趋势以及核心和边缘种群之间的差异得以保留。

与锆石衍生熔体成分的多样性类似，基于斜长石成分计算的熔体 Sr、Ba、La 和 Ce 也显示出比全岩数据大得多的变化，这表明晶体货物的复杂生长记录经常在全岩分析中被擦除。Wu等人显示的斜长石和闪石两组斜长共存，这表明成分更进化的晶体群是从上地壳硅质糊中回收的，而进化程度较低的种群在与更原始的补给岩浆混合期间或之后结晶。

晶体回收与长时间的锆石结晶和再吸收纹理一致。与闪石平衡的熔体的稀土元素组成也是根据Nandedkar等人的分配系数计算的，以直接与锆石计算的分配系数进行比较。由高铝和低铝闪石计算的熔体也具有富含LREE的模式，类似于用锆石计算的熔体。高铝闪石衍生熔体的Eu异常变化很大，低铝闪石衍生熔体具有一致的负Eu异常和较高的稀土元素浓度。

与闪石衍生的熔体相比，锆石衍生的熔体显示出相似的Eu异常范围。 负 Eu 异常表明锆石和闪石与长石共结晶。弱和正的Eu异常是长石回收和溶解成岩浆或与更多镁铁质岩浆混合的证据。

这与每 300-400 kyr 通过补给岩浆加热和随后冷却的主要锆石生长事件一致。这种周期性的大型岩浆补给事件对于热维持上层地壳糊状物和化学改变岩浆系统可能至关重要。

Tschicoma岩浆系统的逐渐热和化学成熟反映在较老的前晶锆石比例较低以及较年轻的CP达克石锆石中锆石的化学变化较少，这可能是由于先前存在的锆石更有效地溶解造成的。

在这种情况下，在Tschicoma火山活动时期结束时，从深处升高的岩浆供应将预先存在的糊状物重新熔化，并将孤立的熔体透镜组合成一个超大的岩浆室，以产生Bandelier Tuff 。这种转变标志着从低震级的喷发性个体喷发到流纹岩超级喷发的变化。

AVC和JMVF的岩浆输出速率高于下限（<0.01公里3/kyr）的全球汇编中至硅质岩浆的喷发速率，但比其计算的平均值（1.2-2公里）低3-4个数量级3/kyr）。最近的AVC火山活动（自1 Ma以来）的锆石年龄分布也分布在1 Myr以上，而AVC火山活动500~4 Ma高峰期的限制性锆石年龄范围（小于2 kyr）则相反。

这可以通过岩浆输出率升高期间前晶锆石的普遍溶解来解释。然而，这两个火山场的命运看起来完全不同，可能受到岩浆供应率变化的控制。Tschicoma组岩浆系统最终形成了超大规模的流纹岩Bandelier岩浆系统，而类似的AVC以达克岩为主的岩浆系统正处于减弱阶段，可能会停止活动。

JMVF中以达克石为主的Tschicoma地层代表了5.5-2 Ma期间长寿命岩浆系统的喷发和圆顶形成喷发。来自两次独立的Tschicoma喷发的锆石都具有大而连续的年龄光谱。单个锆石颗粒也显示出高达 720-740 kyr 的芯缘年龄差异，与整个锆石年龄范围相当。

两个熔岩中的锆石年龄变化远远超过分析不确定性，表明锆石生长的复杂历史，包括前晶锆石的回收，由锆石核心中的吸收纹理支持。在整个漫长的岩浆历史中，锆石饱和熔体的存在以及因此锆石的生长都发生了，但主要增长可能是偶发性的，如U-Pb年龄的解混合计算所示，至少四个脉冲。

同时期的锆石结晶和溶解表明，在喷发前的大部分历史中，晶体存在于单独的熔体透镜中。一旦结晶，锆石可能储存在接近固相线甚至亚固相线的条件下，但可以通过每300-400 kyr发生一次主要的岩浆补给事件以及更频繁的较小事件来重新动员，使长寿的硅质泥浆区保持活力。

在冷却诱导的结晶和储存之前，每个加热/混合时期可能持续数百到一千多年。锆石U-Pb年龄和化学的复杂性表明，Tschicoma亚火山系统很可能是由孤立的熔体透镜和晶体糊状物组成的拼凑而成的，每次喷发都可能利用喷发前岩浆补给引入的多个透镜，与其他火山系统一致，例如AVC中看到的系统。

较少的化学多样性和较年轻的Tschicoma dacite中较低的老锆石比例意味着火山场的化学和热逐渐成熟，最终导致了超大的班德利岩浆系统。与其他长寿命的中硅岩浆系统相比，岩浆储层的增量增长涉及在百万年的时间尺度上与前体钚混合和回收可能是常见的。

岩浆供应率是控制这种长寿糊状岩浆系统命运的重要控制;它的波动可能引入大规模的部分熔化，导致火山口形成硅质岩浆室，或终止岩浆系统。