冰岛与腾冲年轻火山系统的磁化率与地球化学配对研究：对构造-岩浆过程和气候差异的启示

《Scientific Data》：Paired magnetic susceptibility and geochemistry of young volcanism in Iceland and Tengchong, China

本研究针对不同构造-岩浆背景（影响原生岩浆成分）和纬度（影响次生冷却/风化历史）的年轻火山系统，开展了磁化率(k)与地球化学的配对分析。研究人员对冰岛（~64°N）和腾冲（~25°N）的28个火山点进行了k、热磁化率(k-T)及XRF主量元素分析，并计算了LOI、CIA、MIA、CIW等风化蚀变指标。该数据集为对比不同构造-岩浆和气候背景下的第四纪火山活动提供了关键的地球物理和地球化学约束。

　　

火山活动不仅塑造了地球表面，更深刻影响着人类文明的进程。从提供肥沃土壤的馈赠，到喷发时带来的灾难性后果，火山始终与人类社会紧密交织。理解火山的“性格”——它们为何喷发、如何演化、又会带来哪些影响——是地质学家们持续探索的重要课题。然而，一个关键的科学难题在于，古老的火山岩记录往往难以同时精确重建其形成时的构造-岩浆环境和当时所处的气候带，而这二者恰恰是控制火山岩原生特征和后期改造历史的两个决定性因素。为了解决这一难题，将目光聚焦于年轻且地质背景清晰的火山区域，成为揭示古老火山奥秘的一把钥匙。

在此背景下，发表于《Scientific Data》的这项研究，独具匠心地选取了两个时代相近（均为第四纪）、但背景迥异的火山区域——位于高纬度(~64°N)大洋中脊和地幔柱之上的冰岛，以及处于中低纬度(~25°N)、与印度-欧亚板块碰撞相关的走滑断裂带附近的云南腾冲火山群。这种独特的对比设计，使得科学家能够像控制实验中的变量一样，分离出构造-岩浆背景（控制原生岩浆成分）和气候纬度（控制喷发后冷却和风化过程）对火山岩性质的独立影响。为了深入揭示这些影响，研究团队对来自冰岛（10个点）和腾冲（18个点）的共计28个火山岩样品展开了一项名为“配对分析”的综合研究，即同步进行磁化率测量和地球化学成分分析。

为了回答上述科学问题，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，进行了系统的野外采样，确保了样品的新鲜度和代表性；其次，利用手持式磁化率仪（Terraplus KT-10R）进行原位磁化率(k)测量，并在实验室使用AGICO MFK2-FA KappaBridge仪器进行热磁化率(k-T)分析以确定居里温度（Curie temperature, T_c），从而识别磁性矿物；第三，采用X射线荧光光谱法（X-Ray Fluorescence, XRF）对岩石样品进行主量元素地球化学分析；最后，基于地球化学数据计算了烧失量（Loss on Ignition, LOI）、化学蚀变指数（Chemical Index of Alteration, CIA）、改进的蚀变指数（Modified Index of Alteration, MIA）和化学风化指数（Chemical Index of Weathering, CIW）等一系列风化蚀变指标。

磁化率特征揭示的差异

研究获得的磁化率数据清晰地显示了两地火山岩的差异。通过绘制两地磁化率的双向直方图（Figure 1），可以直观地看到冰岛和腾冲火山岩在磁性特征上可能存在不同的分布规律。这些磁化率数值以及从热磁曲线（Data Figures 1-28）中解读出的居里温度信息，共同反映了控制岩石磁性的磁性矿物种类、含量及其热稳定性。这些差异可能源于两地原始岩浆成分的不同（原生因素），也可能与喷发后在不同气候条件下经历的冷却速率和次生蚀变过程（次生因素）有关。热磁曲线（k-T曲线）的形态，特别是加热曲线（红色）与冷却曲线（蓝色）的差异，为判断磁性矿物在加热过程中是否发生氧化或相变提供了关键证据。

地球化学组成与风化状态

地球化学分析结果（Data Table 3）进一步量化了两地火山岩的化学成分和风化程度。根据TAS图解分类，冰岛的样品主要为玄武岩，含少量粗面英安岩；而腾冲的样品成分范围较宽，从粗面玄武岩到粗面英安岩。主量元素氧化物（如SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, TFe₂O₃, MnO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, P₂O₅）的百分含量直接反映了岩浆的原始成分。更重要的是，通过计算得到的LOI、CIA、MIA（分氧化环境和还原环境）和CIW等指标（其双向直方图见Figure 2），为评估岩石遭受化学风化的强度提供了定量标尺。高值的风化指数通常意味着碱金属和碱土金属等活动性元素被大量淋滤，而铝、铁（在氧化环境下）等惰性元素相对富集，这直接印证了腾冲处于更为温暖潮湿的气候带，其火山岩经历了更强烈的化学风化作用。

数据记录的全面性与可靠性

本研究建立的数据集具有高度的完整性和可及性。所有原始数据、处理后的数据表以及热磁曲线图均已在Figshare数据仓库（DOI: 10.6084/m9.figshare.28737404）中公开共享。数据集包含三个核心数据表：Data Table 1记录了详细的采样点信息（位置、岩性等）；Data Table 2汇总了野外和实验室的磁学测量结果；Data Table 3则列出了完整的地球化学数据和计算出的风化指数。此外，28个样品的热磁曲线（Data Figures 1-28）以及仪器记录的原始数据文件（.cur格式）也一并提供，确保了研究的可重复性和数据的二次开发利用价值。在技术验证方面，研究团队对磁化率仪和XRF分析仪器均进行了标准样品的校准，并对岩石样品采用了玛瑙研磨等方法来避免污染，从而保证了所获数据的准确性和可靠性。

综上所述，这项由张玉伟（Yuwei Zhang）和罗斯·N·米切尔（Ross N. Mitchell）合作完成的研究，通过精心设计的对比研究策略，成功获取并系统分析了冰岛与腾冲年轻火山岩的配对磁化率与地球化学数据集。该研究最重要的意义在于，它提供了一个多维度、高精度的现代火山系统“解剖”案例。它不仅揭示了不同构造背景下原生岩浆成分的差异，也清晰地记录了不同气候带对火山岩喷发后改造历史的深刻影响。这项研究产生的宝贵数据集，如同一个现代“罗塞塔石碑”，为地质学家们解读地球上更为古老、记录更为模糊的火山岩序列提供了至关重要的参考框架和判别标准。通过将地球物理性质（磁化率）与地球化学成分（主量元素及风化指标）有机结合，该研究极大地促进了对火山系统从岩浆起源到地表演化的全链条理解，对火山学、古环境重建和矿产资源勘探等领域均具有重要的推动作用。