巴拿马盆地南部近10 Myr火山喷发记录：1. 火山地层学、对比关联与地球化学特征

本综述系统分析了巴拿马盆地南部深海钻探岩芯中的火山灰层（tephra），首次建立了该区域过去10 Myr的火山喷发档案。研究通过矿物学与地球化学分析，识别出27次北安第斯山脉主要爆炸性喷发事件（其中11次可跨钻孔对比），并揭示了早上新世以高钾钙碱性流纹岩为主、更新世后岩浆成分（SiO2/K2O）多样化的演化规律。同时发现加拉帕戈斯热点相关喷发记录，为研究洋脊-热点相互作用提供了新证据。成果对区域沉积序列年代模型（如ODP 677/1238/1240站点的生物地层学）提供了关键时间约束，对构造演化、古海洋学及古气候研究具有重要意义。

　　

引言

国际海洋钻探计划（DSDP/ODP/IODP）在东部赤道太平洋开展了多项研究，旨在揭示岩石圈动力学、全球海洋环流演化、深部生物圈变化、河流输入对大陆形态的塑造、生物大灭绝事件以及沉积物中轨道尺度气候振荡等信息。针对巴拿马盆地南部的航次主要关注水团古环流、上层海洋与大气流（如Etourneau等2010；Povea等2016）、安第斯山脉隆升与时序及巴拿马地峡闭合（如Grimmer等2018）、区域高分辨率氧同位素气候记录（如Rippert等2017；Shackleton与Hall1983）等。火山物质广泛存在于多个钻探站点的海洋沉积序列中（如Bowles等1973；Ledbetter1985）。中美洲与南美洲的火山活动通常具有爆炸性，向大气中释放大量火山灰与挥发分，最大规模喷发的产物可进入平流层并被风力输送数百公里，主要朝向太平洋（如Bablon等2020；Ninkovich与Shackleton1975）。巴拿马盆地北部沉积序列中的过去火山记录已帮助识别了中更新世以来中美洲的大型喷发（Bowles等1973；Ledbetter1985）与中新世加拉帕戈斯热点爆炸性活动（Schindlbeck等2015），但盆地南部的火山物质研究较少。

本研究首次对巴拿马盆地南部厄瓜多尔外海DSDP与ODP航次69、111和202（1979、1986与2002年）采集的6个钻探站点（504、677、678、1238、1239与1240）岩芯中的火山灰层进行地球化学表征与对比。这些沉积序列的年龄范围从中更新世（约200 ka）至中中新世（约10 Ma）。鉴于当前火山弧的最老产物定年约为2.7 Ma（流纹质破火山口；Opdyke等2006）与1.4 Ma（层状火山；Santamaría等2024），这些海洋记录为确定北安第斯过去长时间尺度大型爆炸性喷发的火山源、年龄与复发模式提供了独特机会，进而帮助理解弧的时空演化。深海沉积物中的火山灰采样还允许研究岩浆地球化学成分的长期变化，辅助重建区域地球动力学演化。本文为第一部分工作，详细介绍沉积序列年龄模型、火山灰层岩相与矿物组合、玻璃碎屑地球化学成分，并进行跨站点对比；第二部分（Bablon等2025a,b）则利用这些结果探究火山源并理解区域地球动力学与岩浆地球化学时序变化的关系。

地质背景

厄瓜多尔边缘概况与北安第斯火山弧的第四纪活动

北安第斯火山弧由纳斯卡板块向南美板块俯冲形成，汇聚速率约5.6 cm/yr（如Trenkamp等2002；Kendrick等2003）。当前弧包括厄瓜多尔与哥伦比亚的火山，从2°S延伸至5°N。过去30年的广泛火山学研究表明，当前层状火山的建造始于约1.4–1.1 Ma（Hidalgo2006；Robin等2010），它们构建于更老的中新世-上新世 ignimbrites 之上（如Alvarez Silva2022；Bernet等2020）。在厄瓜多尔，厚厚的上新世-中新世火山碎屑岩存在于安第斯山谷、当前弧南部及东、西科迪勒拉部分地区（如Barberi等1988；Egüez等2017），但研究较少。最老的研究火山结构与沉积物为位于当前弧南侧已熄灭的早中新世Jubones破火山口与上新世-中新世Quimsacocha破火山口，均属大型流纹质 ignimbrite 喷发产物（Armijos Vargas与Sánchez Pontón2018；Beate等2001），以及基多东侧的Chacana复合体，自约2.7 kyr以来活跃（Opdyke等2006）。

当前火山弧在哥伦比亚呈单一行列，而在厄瓜多尔因卡内基海隆（Carnegie Ridge）前沿变得宽达约160 km。卡内基海隆与科科斯海隆（Cocos Ridge）被视为加拉帕戈斯热点在科科斯与纳斯卡板块上的轨迹，构成巴拿马盆地的南与西北边缘。加拉帕戈斯地幔柱与邻近的加拉帕戈斯扩张中心（GSC）的相互作用（约19.5、14.5–12与7.5–5 Ma期间热点位于中心上方）导致喷发物质体积与成分的变化（如Harpp等2005；Sallarès与Charvis2003）。

巴拿马盆地沉积序列中的火山灰层

早在1950与1970年代，巴拿马盆地的首批海洋航次就强调了广泛火山灰层（即火山玻璃碎屑、自由矿物与岩屑）在海洋沉积物中的记录，源自北安第斯与中美洲的爆炸性火山活动（Bowles等1973；Ledbetter1985；Ninkovich与Shackleton1975；Worzel1959）。盆地北部，火山灰层的地球化学分析与地层学指示其火山源位于中美洲，与危地马拉湖相沉积中的火山灰研究一致（Kutterolf等2016）。三项研究还聚焦哥斯达黎加外海科科斯海隆上的钻探站点，改进了对过去15 Myr哥斯达黎加与尼加拉瓜弧、约16.5至8 Ma加拉帕戈斯热点及更新世科科斯岛爆炸性火山的认识（Schindlbeck等2015；Schindlbeck, Kutterolf, Freundt, Andrews等2016；Schindlbeck, Kutterolf, Freundt, Straub等2016）。

盆地南部，两个广泛火山灰层被识别，即“Worzel ash”，后分离为灰层“D”与“L”（Bowles等1973；Worzel1959）。基于沉积厚度、化学成分、δ¹⁸O年龄模型与年代学数据，这些灰层被关联至危地马拉Atitlán破火山口的Los Chocoyos火山灰（VEI 8；Drexler等1980；Kutterolf等2016）与厄瓜多尔Chalupas破火山口的216±5 ka喷发（VEI 7；Bablon等2020；Bowles等1973；Ninkovich与Shackleton1975）。1973至2002年间，巴拿马盆地南部的7个DSDP与ODP航次（R/V Glomar Challenger与JOIDES Resolution）扩充了沉积序列中灰层的目录。多项研究利用沉积物中的碳酸盐壳、有孔虫、介形虫与颗石藻提供沉积约束，研究过去上升流、洋流温度、大气环流与生物生产的变化（Bin Shaari等2013；Dyez等2016；Etourneau等2010；Rincón-Martínez等2010；Rippert等2017；Shackleton等1990；Stepanova与Lyle2014；Steph等2010），以及花粉记录以重建安第斯隆升期间大陆植被覆盖与区域气候的变化（Grimmer等2018）。但除Chalupas火山灰层（Bablon等2020）外，其他火山沉积均未被研究。近期AMADEUS与ATACAMES航次（2005, 2012；R/V L’Atalante）在哥伦比亚与厄瓜多尔外海沟槽的浅海沉积序列中识别出多个全新世火山灰层（Gonzalez2018；Ratzov2009），它们被关联至厄瓜多尔Cotopaxi、Atacazo与Pichincha及哥伦比亚Cerro Machín火山的VEI 4–5喷发（Bablon等2022,2023）。

本研究聚焦1979、1986与2002年的DSDP航次69与ODP航次111和202，它们在厄瓜多尔外海6个钻探站点报告了众多火山灰层（Shipboard Scientific Party1983a,1988,2003）。

研究火山灰层的年龄模型

下文介绍采样火山灰的DSDP与ODP钻探站点及其沉积序列年龄模型（支持信息S2）。各岩芯显示采样段深度与火山灰层岩相的照片见支持信息S3。

DSDP站点504与ODP站点677–678

这些站点位于研究区北部。站点677位于站点504以南约3 km，站点678位于站点677东北2 km。站点504识别出5个肉眼可见火山灰层，站点677有4个（Shipboard Scientific Party1983a,1988），位于中更新世与早上新世海洋沉积中，基于氧同位素（δ^{18₂与K₂O含量分别为71.9–73.4 wt.%与4.1–4.4 wt.%（Beiersdorf与Natland1983）。航次报告还提及183.4 mbsf的另一火山灰层，但呈高度扩散状，玻璃含量过低难以分析，可能对应玻璃碎屑的背景值。站点678仅识别出一个6 cm厚火山灰层（98.47–98.62 mbsf；Shipboard Scientific Party1988）。无时间约束，但基于邻近站点504与677的年龄模型与沉积速率，该灰层可能侵位于约2.2 Ma前。}

ODP站点1238

站点1238为最南端研究站点。沉积序列中共18个火山灰层，17个为航次识别（Shipboard Scientific Party2003），我们在292.46 mcd（复合深度米）识别出一额外层。无δ¹⁸¹⁸

ODP站点1239

站点1239位于站点1238东北155 km，卡内基海隆东脊附近，厄瓜多尔边缘以西约120 km。为本研究最深钻探，至中中新世沉积约550 mcd（Shipboard Scientific Party2003）。沉积序列中共24个火山灰层（Shipboard Scientific Party2003）。其年龄可基于Rincón-Martínez（2010）、Etourneau等（2010）与Dyez等（2016）发表的δ¹⁸

ODP站点1240

站点1240距北安第斯弧最远，位于站点1239西北500 km，含8个2–10 cm厚火山灰层。其地层年龄基于Shipboard Scientific Party（2003）的生物地层学或Rippert等（2017）的δ¹⁸

材料与方法

为清晰起见，采用Schindlbeck, Kutterolf, Freundt, Straub等（2016）的术语：“bed”或“pod”指钻探站点沉积序列中火山灰主导的沉积；“tephra layer”指基于相似年龄、矿物组合与玻璃地球化学关联多个钻探站点、属单次爆炸事件侵位的灰层。

采样与火山灰样品制备

所有岩芯存储于IODP墨西哥湾库（德州A&M大学）。请求55个火山灰样品，基于航次期间岩芯描述（Shipboard Scientific Party1983a,1988,2003）。采样火山灰层的名称、地层位置与年龄模型总结于图2。部分灰层采样两次以检查同一站点钻孔间对比（站点1238的71.66 mcd与站点1240的27.70 mcd灰层）及厚层均一性（站点1239的67.43 mcd处14 cm厚层）。

采样后，各火山灰样品干筛，后用去离子水与乙醇冲洗去除黏土质材料与<50 μm玻璃碎屑和矿物。地球化学分析前，清洁样品用5% HCl溶液浸提10分钟以溶解有孔虫壳与钙质化石，去除风化相或次生矿物。重复此步骤至无可见碳酸盐。后用磁选机去除磁性矿物与可能捕虏体，干筛分50–