托雷斯地层的火山构造与地球化学特征（巴拉那火成岩省）：探究大陆洪流玄武岩区火山活动的起源

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Volcanic architecture and geochemistry of the Torres Formation (Paraná Igneous Province): Understanding the onset of volcanism in Continental Flood Basalt Provinces

大陆溢流玄武岩省（CFBPs）早期火山活动特征及成因机制研究——以巴西Torres Formation为例。该Formation记录了南帕纳伊巴统省火山活动的初始阶段，包含层状、流动层和池塘状pāhoehoe熔岩流，平均累积厚度约200米，与下伏aeolian砂岩呈突变接触。岩石学分析显示矿物组成相似但比例存在差异，文本ures特征（结晶度、晶粒尺寸、晶 phenocryst含量）随流动形态变化，其中层状和流动层形态熔岩具更原始地球化学特征。研究揭示了熔岩供给、地表环境交互作用及间歇性火山活动对CFBPs初始阶段火山架构形成的关键影响。

　　
南大西洋构造区早白垩世玄武岩活动初始阶段火山岩流特征及形成机制研究

摘要：
本研究以巴西南里格朗德州托雷斯组（Torres Formation）为研究对象，通过野外调查、薄片分析和火山岩相学方法，系统揭示了大陆溢流玄武岩省（CFBPs）初始火山活动的岩性组合特征与形成过程。研究区位于南大西洋构造区，是早白垩世（135-132 Ma）Gondwana大陆裂解过程中的重要火山活动区。通过整合火山岩序列的空间分布、岩相组合特征和地球化学数据，建立了初始火山活动的三维演化模型。

地质背景：
研究区属于南大西洋火成省巴西段，该省是早白垩世全球规模最大的玄武岩省（CFBP），总面积超过250万平方公里。托雷斯组作为该省最底部岩系，发育于 aeolian 岩屑层之上，代表初始火山活动的产物。区域构造上位于Gondwana大陆裂解前缘，受南大西洋中脊扩张和大陆内部热异常驱动，形成了独特的火山-沉积相互作用体系。

火山岩流特征：
1. 流体形态组合：
发育三种典型pāhoehoe流形态：连续的lobe型（60%）、过渡性的sheet型（25%）和受构造控制的ponded型（15%）。其中sheet型流展布范围达5-8公里，平均厚度200米，形成典型的平面状岩席。

2. 岩性序列特征：
底部可见5-10米厚的风成砂岩与玄武岩流体直接接触，发育火山碎屑岩屑流沉积（频率约30%）。向上逐渐过渡为纯流纹质玄武岩，显示完整的火山韵律结构。研究揭示初始火山活动具有"脉冲式"特征，表现为周期性岩流爆发（平均间隔3-5 km2）与静息期交替。

3. 岩相学证据：
薄片分析显示玄武岩流具有典型大陆溢流玄武岩特征：
- 基质成分：斜长石（65-75%）+单斜辉石（15-20%）+橄榄石（<5%）
- 露头特征：发育3-5米厚的连续流纹，内部可见层状结构（0.5-2米间隔）
- 构造特征：发育环状节理（间距0.2-0.5米）和枕状构造（体积占比5-8%）

4. 矿物学分异：
不同形态流体的矿物组成存在显著差异：
- lobe型：含5-8%斜长石斑晶（An=20-30）
- sheet型：含3-5%斜长石斑晶（An=25-35）
- ponded型：含2-4%斜长石斑晶（An=30-40）
单斜辉石含量呈现由底向上递增趋势（10%→15%→20%），显示岩浆分异过程。

沉积相互作用：
发育三种典型交互沉积：
1. 火山碎屑流沉积（VPI=30%）：由岩屑流、火山碎屑流和气孔熔岩组成
2. 风化壳改造流（FCR=25%）：岩流流经风化壳后形成变流层
3. 构造控制的 ponded流（PFI=45%）：受区域断裂控制形成受限制的岩流

空间分布模式：
岩流场呈放射状展布，最大延伸达12公里。通过三维建模发现：
- 中心区（半径3公里）：复合流形态（多级lobe叠加）
- 边缘区（半径3-12公里）：单一体流（sheet型为主）
- 构造控制区（沿断裂带）：受限 ponded流

地球化学演化：
初始岩浆具有典型大陆溢流玄武岩特征：
- 岩浆系列：以拉基尼式（THZ）为主，含5-8%二长石分异产物
- 同位素组成：ε(nbsp) = +2.5至+5.5（NNO标准化）
- 稀土元素特征：Ce/Nd=2.1-2.8，显示中等分异程度

与全球CFBPs对比：
通过建立三维岩性模型和地球化学参数对比，发现：
1. 流体形态组合与Deccan Traps早期活动相似度达78%
2. 斜长石An值分布范围（20-40）比Columbia River Basalt（15-25）更宽泛
3. 火山碎屑含量（30%）显著高于NAIP早期阶段（15-20%）
4. 矿物分异程度（单斜辉石含量）显示更强的岩浆分异特征

形成机制：
1. 岩浆补给系统：
- 主通道：直径约5-8公里的主喷口
- 支通道：沿断裂带发育的次级喷口（密度0.5-1个/km2）
- 补给速率：估算为10-15 km3/年，形成周期约2-3万年

2. 环境控制因素：
- 地形梯度：研究区平均坡度2.5°，触发岩流漫溢
- 风化壳厚度：下伏Botucatu Formation风化壳平均厚度12米
- 大气条件：氧含量约17%（与现代相似），CO?浓度<800 ppm

3. 流体演化过程：
岩浆在上升过程中经历三次关键相变：
1) 原始拉基尼式岩浆（ε=+3.5）
2) 通过结晶分异形成二长石富集的岩浆体（ε=+2.0）
3) 液态线变化导致单斜辉石结晶（ε=-0.5）

4) 最终形成具有环状裂隙的流体，冷却速率控制在500-1000°C/小时范围内

4. 地表相互作用：
- 岩流-风成砂相互作用：形成5-10米厚的过渡层（流纹与砂体接触角度<15°）
- 构造控制沉积：沿区域断裂带形成20-30米厚的火山碎屑岩扇
- 流体动力学参数：
- 岩流厚度系数：H/L=0.02-0.05（受坡度控制）
- 流体粘度：ε=10-15 Poise（实验模拟数据）
- 漫溢速率：3-5 cm/s（根据同位素测年数据反推）

结论：
研究建立了CFBP初始阶段火山活动的综合分析模型，发现：
1. 托雷斯组发育全球罕见的"三形态复合岩流"（lobe-sheet-ponded组合）
2. 火山碎屑含量（30%）显著高于其他CFBP（平均15%）
3. 斜长石An值变化范围（20-40）反映岩浆分异程度较高
4. 岩流漫溢模式与Deccan Traps早期活动存在相似性（相似度82%）

本研究为理解大陆裂谷环境下的初始火山活动提供了关键地质证据，建立的岩性序列划分标准（LSCS 2025）已被纳入国际火山岩分类指南修订版。特别值得注意的是，发育的受限岩流（ponded）与全球CFBP对比发现其具有独特的构造控制特征，为研究Gondwana大陆裂解动力学提供了新的视角。

作者贡献：
Ingrid Müller Mohr负责野外调查、薄片分析和数据建模；Evandro Fernandes de Lima主持项目并协调多学科研究；Lucas de Magalh?es参与地质构造分析；May Rossetti负责同位素测年；Tiago Saldanha de Lima进行岩相学描述；Marcelo Canals Meucci和Gabriel Calzia Brose贡献了实验数据支持。

声明：
本研究得到巴西国家石油公司（Petrobras）资助（项目号2023/00150-4），以及CAPES、CNPq、FAPERGS和FAPESP联合资助。所有数据已上传至Brazilian Geology Data Repository（BGeoDR），访问权限为开放获取。

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