巴拿马盆地南部近海记录的过去10Myr爆炸性火山喷发历史：对北安第斯弧构造及区域地球动力学的启示

本综述通过分析东赤道太平洋深海沉积物中的火山玻璃碎屑地球化学与同位素组成，系统重建了北安第斯弧自晚中新世以来的火山活动演化。研究揭示了加拉帕戈斯热点在晚中新世与早更新世的爆发式喷发事件，并首次发现北安第斯弧最古老的火山产物沉积于约4.8Ma。文章重点论证了板块逐渐平俯冲导致的火山活动空间迁移规律，以及自2Ma以来火山活动加剧与区域地球动力学变化（包括卡内基海岭俯冲和地壳断裂系统发育）的耦合关系，为理解俯冲带岩浆系统演化提供了关键海洋沉积证据。

　　

地质背景与科学问题

北安第斯弧的火山活动与纳斯卡板块向南美板块之下的俯冲作用直接相关。该区域独特的构造背景表现为：在厄瓜多尔境内，安第斯山脉分裂为西科迪勒拉和东科迪勒拉，两者被安第斯间谷分隔；而在哥伦比亚境内，山脉进一步分裂为三条平行山系。这种构造格局的形成与卡内基海岭（加拉帕戈斯热点的轨迹）的俯冲时间存在重大争议，不同研究提出的俯冲起始时间从0.5-3Ma到8-15Ma不等。快速（约6cm/yr）且斜向的汇聚运动， combined with the subduction of the Carnegie Ridge, lead to the north-eastward displacement of the North Andean Sliver along the Chingual-Cosanga-Pallatanga-Puná fault system。

研究方法与技术路线

本研究利用深海钻探计划（DSDP）和大洋钻探计划（ODP）在巴拿马盆地南部的6个钻孔站点（504、677、678、1238、1239和1240站）的岩心样品，对保存完好的火山灰层开展系统研究。通过火山玻璃碎屑的形态学分析、主量元素与微量元素地球化学测试、Sr-Pb同位素分析，结合生物地层学和磁性地层学建立的年龄模型，构建了晚中新世以来该区域主要火山喷发事件的高分辨率目录。特别值得注意的是，研究首次在海洋沉积物中识别出来自北安第斯弧的27层火山灰，这些火山灰对应火山爆发指数（VEI）5-7级的巨大喷发事件。

主要发现与数据分析

4.1 北安第斯远端火山灰的火山源区识别

研究表明，新近纪火山灰具有高钾流纹质成分特征，而更新世样品成分范围更宽，呈现安山质到流纹质的成分谱系。通过主量元素、微量元素和Sr-Pb同位素综合对比，成功将216±5ka的火山灰层与Chalupas破火山口的VEI-7喷发产物进行关联。同时发现572±10ka的火山灰可能源自哥伦比亚的Galeras火山，该次喷发形成了直径5km的 summit caldera。

4.2 具有中安第斯火山带特征火山灰的识别

两套具有高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值（约0.707）的高钾流纹质火山灰层，其地球化学特征类似于中安第斯火山带（CVZ）的第四纪产物，沉积年龄分别为4.7±0.3Ma和8.9±0.5Ma。这些发现表明，在秘鲁北部地区，火山活动至少持续到4.7Ma，之后由于板块平俯冲而停止。

4.3 加拉帕戈斯热点相关的火山灰

研究识别出5层与加拉帕戈斯热点活动相关的火山灰，最老的一层沉积于10.1±0.6Ma。地球化学特征显示，这些火山灰的铅同位素比值与Floreana岛产品相近，但最老的已知 aerial lava喷发时间要晚得多（约1.6Ma）。研究人员推测，这些火山灰可能源自现今Floreana岛区域一个古老且已解体岛屿的喷发。

4.4 重大喷发事件的空分布与喷发规模

通过等厚线图重建了4.8±0.1Ma、2.79±0.01Ma、1.35±0.01Ma和395±10ka四次重大喷发事件的火山灰分布范围。体积计算表明，这些喷发均属于VEI-6级别， bulk volumes范围在15-48km³之间。作为对比，Chalupas破火山口VEI-7喷发的总体积估计约为230km³，而全新世主要喷发的体积仅为1-6km³（VEI-5）。

4.5 火山活动时序与地球动力学演化

火山活动记录显示四个显著阶段：>5.0Ma、5.0-3.8Ma、3.8-3.0Ma和<3.0Ma。最老的火山灰记录始于早新近纪初期（约4.8Ma），表北安第斯弧的当前活动可追溯至新近纪，而不仅仅是第四纪。自2.9Ma以来火山活动重新活跃，并从约2Ma开始频率明显增加，这与安第斯造山带的隆升和卡内基海岭的俯冲过程在时间上相吻合。

讨论与地球动力学意义

5.1 火山源区识别的挑战与进展

尽管厄瓜多尔和哥伦比亚的许多火山中心已得到详细研究，但只有少数远端火山灰能够可靠地与近源火山产物进行关联。这主要是由于热带气候条件下安第斯山脉的高侵蚀速率，以及年轻火山产物对早期产物的覆盖作用。研究表明，结合科迪勒拉山脉的野外工作和海洋-湖相沉积档案研究，对于完善区域主要喷发目录至关重要。

5.2 自中新世末期以来岩浆地球化学的时空演化

时间序列分析显示，约1.5Myr以来流纹质岩浆的主量元素和微量元素成分范围明显变宽，K₂O含量和不相容元素含量呈现增加趋势。这种成分多样化可能反映了弧火山系统向边缘的逐步扩展，同时东科迪勒拉和亚安第斯地区的活动持续存在。特别值得注意的是，最老的流纹质玻璃碎屑显示出典型岛弧特征，而较年轻的tephra（如201±10ka、190±10ka和全新世火山灰层）则显示出更明显的埃达克岩式特征。

5.3 喷发频率与区域地球动力学关联

研究发现北安第斯弧的高VEI级别喷发频率与区域地球动力学变化存在密切关联。卡内基海岭的俯冲可能起始于10Ma前，触发了海岸科迪勒拉的第一期隆升（8-10Ma）。约5Ma时，更大的海岭部分开始俯冲，可能导致俯冲板片角度减小，增加板片脱水作用和岩浆生成，从而引起弧火山系统的拓宽和成分多样化。自2Ma以来火山活动的加剧，与NAS逃逸速度的增加和海岸科迪勒拉的最新隆升相吻合，可能反映了更宽的海岭部分的俯冲作用。

结论与展望

本研究通过海洋沉积物中的火山灰记录，重建了北安第斯弧自晚中新世以来的爆炸性火山活动历史。研究发现该区域的火山活动不仅限于第四纪，而是可追溯至早新近纪（约4.8Ma）。火山活动的时空演化与卡内基海岭的俯冲过程、地壳断裂系统的发育以及安第斯造山带的隆升之间存在复杂的耦合关系。未来研究应重点关注哥伦比亚火山活动、米奥-新近纪地层的时间约束以及CCPP断裂系统的发育历史，从而更深入地理解洋脊俯冲对火山弧发展的控制机制。