印度德干省南部Koyna钻洞地球化学与古地磁学揭示德干溢流玄武岩喷发时序及地下地层

《Geological Magazine》：Deccan flood basalt eruption as revealed from geochemistry and palaeomagnetism of Koyna drill hole in southern Deccan Province

　　

印度德干火山作用（Deccan volcanism）代表地球上主要的大陆溢流玄武岩省之一。位于德干省南部Koyna的大陆科学深钻项目（Continental Scientific Deep Drilling Project）钻洞在采样直至基底的连续地下玄武岩地层记录方面具有独特性。1251 m厚的KBH-7钻洞序列的元素地球化学显示，仅依靠地球化学不能可靠地划分离散喷发阶段。然而，不相容微量元素模式与比值的地球化学测井，结合多变量统计分析，建立了直接覆盖于太古宙基底之上的地下层序，包括Wai亚群（Wai Subgroup）的Mahabaleshwar、Ambenali和Poladpur组以及Lonavala亚群（Lonavala Subgroup）的Bushe和Khandala组。较老的Kalsubai亚群在该钻洞中缺失，这为德干省较老组被较年轻组向南超覆提供了地下证据。来自KBH-7和附近KBH-8钻洞的古地磁倾角数据（palaeomagnetic inclination data）识别出八个方向群（directional groups, DGs）；相对于长期变（secular variation）速度，每个方向群可能曾在短时间内（数十年至数百年）喷发。考虑推断的熔岩产出率、方向群与非方向群熔岩序列的相对厚度以及间歇性红壤夹层（red boles）形成所经历时间的估计，德干喷发主阶段可能发生在数千年内（<4000–5000年），以离散阶段发生，累积时间尺度为～200–300 ka。

印度德干大陆溢流玄武岩省是地球上最大的大陆溢流玄武岩省之一，主要沿印度西缘分布，与Reunion地幔柱相关，并跨越白垩纪-古近纪（K-Pg）界线，与Chicxulub撞击同时。高精度⁴⁰Ar/³⁹Ar和U-Pb年代学已将德干喷发限制在K-Pg界线附近<1 Ma的狭窄年龄区间内。大量地球化学和古地磁研究揭示了岩石成因、极性序列和印度次大陆关键末白垩纪古地磁极。野外填图和构造观察曾推测德干层序向南变薄，并显示较年轻组超覆较老组，但各形成体在地下向南延伸范围未知。以往联合地球化学和地质研究多基于连续性较差的火山地层；近期Basu et al.提供的连续样品虽刻画了主要熔岩组的地球化学，但地下未出露地层仍不清楚。Koyna大陆科学深钻（Continental Scientific Deep Drilling, CSDD）提供了从地表至基底的连续垂向剖面，为限定南德干省地下地层和喷发持续时间提供了独特机会。

研究人员对KBH-7钻洞（并利用KBH-8进行古地磁）开展主量与微量元素岩石学、矿物磁性和古地磁综合研究。KBH-7位于Koyna，海拔949 m，穿透1251 m厚玄武岩并进入太古宙花岗-绿岩基底，是德干省钻洞中回收玄武岩厚度最大者。钻芯含46个熔岩流（40个简单流和6个复合流），间有厘米至米级红壤夹层（red boles，熔岩流间红色古土壤/风化夹层）和红绿粘土蚀变，表明多次离散喷发。顶部受强烈风化形成红土帽。巨晶斜长石玄武岩（giant plagioclase basalt, GPB）出现在716–663和288–268 m MSL。年代学将该钻洞层序约束在约65–66 Ma。样品新鲜细粒，主要由单斜辉石和斜长石组成，含副矿物Fe–Ti氧化物，偶见橄榄石。研究结论是：仅元素地球化学不能可靠划分离散喷发阶段；但不相容微量元素浓度、比值和多变量统计分析可建立地下地层，包括约1000 m厚Wai亚群（Mahabaleshwar、Ambenali、Poladpur组）和约250 m厚Lonavala亚群（Bushe、Khandala组），较老Kalsubai亚群完全缺失。古地磁倾角识别出8个方向群，6个在Wai亚群，2个在Lonavala亚群；结合长期变时间尺度和喷发速率假设，主德干火山作用（Wai亚群）可能在数千年内（<4000–5000年）喷发，而间流风化和蚀变累计时间尺度约200–300 ka。该研究意义在于首次提供地下证据支持较老组被较年轻组向南超覆，并独立于年代学约束主喷发持续时间。

方法概括：研究人员在KBH-7采集44件样品，用X射线荧光（X-ray fluorescence, XRF）分析主量氧化物及Cr、Ni、Zr，在NCESS完成；39件样品用电感耦合等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry, ICP-MS）分析其他微量元素，在NGRI完成。矿物磁性样品来自选定深度，详细数据另文发表。古地磁方向测量在KBH-7的126件和KBH-8的95件样品上进行，经交变场和热退磁及主成分分析；因样品方位未定向，仅获倾角，最大角偏差<6°。判别函数分析（Discriminant Function Analysis, DFA）使用389件参考样品训练，预测变量为SiO₂、Al₂O₃、MgO、CaO、TiO₂、P₂O₅、K₂O、Ni、Ba、Sr、Zr、Y和Nb。样本队列来源为Koyna CSDD的KBH-7和KBH-8钻孔。

4. Results：主量元素单调，玄武质，无中性、长英质或碱性玄武岩。SiO₂为49.63±2.25 wt%，K₂O+Na₂O低（2.83±0.47 wt%），Fe₂O₃^T为14.05±1.97 wt%，MgO低（5.91±1.41 wt%），Mg#低（43.9±7.8）。两个样品在131和268 m below MSL具较高MgO（7.44和9.18 wt%）和Mg#（61.8±0.3）。Cr<350 ppm，Ni<112 ppm。样品轻稀土元素（light rare earth elements, LREE）相对重稀土元素（heavy rare earth elements, HREE）富集变化，大离子亲石元素（large ion lithophile element, LILE）富集变化；600–260 m MSL样品的LREE和LILE最低；向120 m below MSL以下更分异；负Sr异常和轻微Ti负异常；约?120 m MSL以上无或很弱负Nb异常，以下有较高至轻度负Nb异常。矿物磁性：低磁粘滞指数（<5%），单分量磁化，磁化率137–2020×10^?5 SI，等温剩磁（isothermal remanent magnetization, IRM）饱和于300–400 mT，无赤铁矿，单畴/假单畴或多畴铁磁矿物。倾角显示顶部正极性，于636和632 m MSL之间转为反极性，对应29N/29R。

5.a 火山作用离散喷发阶段的划分：红壤和蚀变证明离散喷发。Khanna et al.曾据地球化学划分15个喷发相，但将约630–300 m MSL、约300 m厚熔岩划为单一喷发相，与其中红壤/蚀变显示静默期矛盾；590–390 m MSL熔岩有较低(La/Sm)_n、Ba/Nb、Ba/Y和较高Sr/Ba，可能为离散喷发相。但地球化学可在单一喷发旋回内因岩浆房变化而改变，故仅用地球化学划分喷发相需谨慎。

5.b 地下地层划分：顶部正常极性归为Mahabaleshwar组；在约612±12 m MSL地球化学变化；向下至260±10 m MSL具较低Sr、Ba、Zr和LREE，归为Ambenali组；再向下至?118±12 m MSL为Poladpur组，以略低TiO₂、高Ba、富LREE和不相容元素为标志。边界与GPB吻合。?118±12 m MSL为Wai/Lonavala亚群界线。Bushe组延伸至?172±10 m MSL，具最高Mg#（54–62）、Cr（198–341 ppm）、Ni（109–125 ppm），最低Zr（79–104）、∑REE（79±5）和(Tb/Yb)_n（1.41±0.04）；Khandala组至基底，Mg#、Cr、Ni降低，TiO₂、P₂O₅、Fe₂O₃、Sr、Ba、Nb、Zr、Hf增加，∑REE升至151±58，(Tb/Yb)_n为1.82±0.03。Lonavala亚群有较高(La/Sm)_n（1.98±0.26）、Ba/Nb（20.5±9.6）、Ba/Y（6.5±1.5），Wai亚群较低（分别为1.45±0.22、9.7±3.6、3.6±1.4）。DFA约90%样品正确分类，支持地层划分；F1区分Mahabaleshwar与Ambenali，Ambenali与Poladpur部分重叠，F1区分Bushe与上覆Poladpur/Wai，F2分辨Khandala与Bushe。172±10 m below MSL以下样品分布类似Khandala，虽不在其场内，但按地层位置和地球化学亲和性归为Khandala。矿物磁性：Bushe→Khandala，自然剩磁（natural remanent magnetization, NRM）、磁化率、非磁滞剩磁（anhysteretic remanent magnetization, ARM）、软IRM下降，剩磁矫顽力（coercivity of remanence, Hcr）上升；Poladpur→Bushe，NRM增加，磁化率、软IRM微增；Poladpur与Ambenali相似不能区分；Mahabaleshwar比Ambenali低磁化率、饱和等温剩磁（saturation isothermal remanent magnetization, SIRM）、Hcr、IRM（软和硬）。误差棒有重叠，需进一步研究。地下地层代表南德干层序，提供南向超覆直接证据；Lonavala亚群至少延伸至Koyna（17°18′N），较老Kalsubai亚群在Koyna以北尖灭/超覆。

5.c 古地磁方向群、长期变与火山活动持续时间：方向群代表短时、准瞬时喷发。KBH-7和KBH-8中，多于3个连续紧密约束倾角、在两口钻洞可对比、可覆盖>30 m厚熔岩者构成方向群（directional groups, DGs）；例外DG2约20 m厚约750 m MSL，倾角?69–70°，与附近正常极性I≈70°一致。共8个DG，7个在两口钻洞相似海拔，DG6差约100 m但归同组。6个在Wai亚群：DG1和2在Mahabaleshwar（DG2过渡极性），DG3和4在Ambenali，DG5和6在Poladpur；DG7和8在Lonavala亚群（Bushe和Khandala）。Wai亚群占德干玄武岩总体积约70%，钻洞中约1000 m，6个DG合计约250 m，非DG约750 m。若每个250 m DG序列喷发不超过600年，非DG按双倍时间计约3600年，整个Wai约4200年。红壤和蚀变累计约200 ka。故主德干喷发（Wai亚群）在数千年内（<4000–5000年），总累计约200–300 ka。该估计短于高精度年代学对Wai亚群约600 ka的推断，需独立地质地球物理观测整合。最低钻洞段Bushe和Khandala与北部德干省低层序亚群区别讨论，可能属更早阶段。

5d 持续时间估计的假设与限制：约100年长期变参考基于全新世方向变化速率；65 Ma无直接测量，6个DG被假定代表短喷发。非DG持续时间不能由古地磁直接确定，由Wai亚群较均匀喷发速率和厚度估计。约200–300 ka为古土壤形成、蚀变和风化累计时间尺度，依赖红壤厚度和气候估计，不是活跃火山作用持续时间的直接测量。数千年为近似时间尺度，受上述假设限制。

总结讨论部分：红壤和蚀变指示离散喷发，但地球化学单独划分喷发相有困难；不相容微量元素比值结合DFA可划分地下地层；矿物磁性显示一些地层差异但有重叠；古地磁DG表明主Wai亚群喷发极快，而间流风化累计时间更长；估计受假设限制。研究结论翻译：对南德干省一条最大厚度（1251 m）钻洞连续熔岩序列的元素地球化学、矿物磁性和古地磁详细分析揭示：基于元素地球化学单独无法无争议地划分该剖面的离散喷发阶段。然而，不相容微量元素浓度、其比值和多变量统计分析构建了此前未知的、直至基底的地下地层。该地层包括厚约1000 m的Wai亚群（Mahabaleshwar、Ambenali和Poladpur组）和相对薄约250 m的Lonavala亚群（Bushe和Khandala组），但较老的Kalsubai亚群完全缺失。矿物磁性也显示各地层间一些区别，但误差棒有重叠；在缺乏类似研究的情况下，进一步研究将更好约束这些区别。目前结果为地质填图和构造观察推测的较老组被较年轻组向南超覆提供了地下证据。来自两个厚且相邻钻洞（KBH-7和KBH-8）的古地磁倾角数据识别出八个方向群，6个在Wai亚群，2个在Lonavala亚群。基于推断的地磁长期变时间尺度和假设性的喷发速率及间流蚀变估计，方向群表明以Wai亚群为代表的主65 Ma德干火山作用在数千年内（<4000–5000年）喷发，而间流风化和蚀变累计时间尺度可能延伸至约200–300 ka。该数千年估计为近似值，并受上述假设限制。