基利斯特拉火山碎屑岩的火山学、地球化学和地质年代学研究：揭示了在构造控制下的盆地中火山碎屑流沉积过程——以埃伦勒尔达格-阿拉卡达格火山复合体（土耳其科尼亚省西南部）为例

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Volcanology, geochemistry, and geochronology of the Kilistra Ignimbrites: Insights into pyroclastic density current emplacement in a structurally controlled basin, Erenlerda?–Alacada? Volcanic complex (SW Konya, Türkiye)

　　

梅苏特·贡杜兹（Mesut Gündüz）|库尔沙德·阿桑（Kür?ad Asan）

TPIC-土耳其石油国际公司（TPIC-Turkish Petroleum International Company），安卡拉，土耳其

摘要

本研究通过野外观察以及地球化学、地质年代学和基于GIS的数据，对埃伦勒尔达格-阿拉卡达格火山复合体（ErAVC，土耳其科尼亚西南部）的基利斯特拉火山碎屑岩（Kilistra Ignimbrites）的喷发历史以及在结构控制盆地环境中火山碎屑密度流（PDCs）的沉积过程进行了分析。

该火山碎屑岩序列包括四个主要单元——埃伦卡亚（Erenkaya）、埃夫利亚特克克（Evliyatekke）、德特塞（Detse）和萨迪克拉（Sad?klar），其中埃伦卡亚单元在体积上占主导地位（约90%），而基兹尔奥伦（K?z?l?ren）则是一个较老的（>10.9 Ma）且地层上不同的单元。岩石学特征表明这些火山碎屑岩单元之间存在系统性差异。埃伦卡亚火山碎屑岩富含晶体，具有不同程度的熔结现象，并含有大量浮石和火山岩屑。相比之下，埃夫利亚特克克和萨迪克拉火山碎屑岩富含浮石，熔结程度较弱或未熔结，保留了明显的管状-气泡结构。德特塞火山碎屑岩则表现出普遍的蚀变现象，影响了晶体、岩屑和浮石碎屑。全岩地球化学分析表明，埃伦卡亚火山碎屑岩的成分主要属于安山岩-英安岩范围，具有钙碱性特征；而较年轻的单元则表现出更大的变化性，这可能反映了岩浆分化和/或沉积后的改造作用。

埃伦卡亚火山碎屑岩被划分为三个流动单元，这些单元之间由古土壤和侵蚀面分隔，其特征包括垂直熔结带、火焰状结构（fiamme development）和柱状节理（columnar jointing），表明其形成于高温条件下。锆石U-Pb测年结果确定了两个主要的喷发时期（约9.2 Ma和约8.0 Ma），这两个时期之间夹杂着河流-湖泊沉积物。等厚线分布和相变特征表明，这些火山碎屑岩是从埃伦勒尔达格-阿拉卡达格火山复合体的北部区域扩散而来的，其流动路径受到古地形和盆地形态的影响。熔结带和侧向相变表明，火山碎屑密度流的沉积条件在空间上是变化的，从高温集中的流动状态逐渐转变为运输过程中的稀释和冷却状态。

这些结果为结构控制盆地环境中的火山碎屑岩沉积提供了新的认识，并强调了古地形对火山碎屑密度流动力学和沉积构造的影响。

引言

火山碎屑岩（Ignimbrites）是由富含浮石的火山碎屑密度流（PDCs）沉积形成的，这类流体由高温、快速移动的火山颗粒和气体混合而成，是火山物质传输和沉积的最有效机制之一（Fisher和Schmincke，1984；Cas和Wright，1987；McPhie等人，1993；Branney和Kokelaar，2002）。这些沉积物通常形成横向扩展的层状结构，范围可延伸数十公里甚至超过100公里，记录了大规模爆炸性喷发及其相关的传输过程。

火山碎屑岩的内部结构和空间分布受到火山碎屑密度流（PDC）行为变化的强烈影响，包括传输和沉积过程中的温度、浓度和流动动力学变化。在许多火山系统中，这些过程还可能受到地形、构造结构和盆地形态等外部因素的进一步影响，这些因素会显著影响流动路径、沉积厚度和相变特征（Marti，2023）。

在大陆环境中，火山碎屑岩常与河流和湖泊沉积物互层，反映了火山活动和沉积作用的交替期。这些火山-沉积序列为喷发频率、沉积环境和火山系统的时间演化提供了重要信息。然而，在此类环境中重建喷发过程和源区特征仍然具有挑战性，因为喷发中心的直接证据常常被侵蚀、掩埋和沉积后的改造所掩盖。这一问题在火山碎屑岩研究中普遍存在，喷口位置和源区往往难以确定（Martí等人，2018；Hencz等人，2021；Hencz等人，2024）。

埃伦勒尔达格-阿拉卡达格火山复合体（ErAVC）是位于安纳托利亚中部的一个新近纪火山系统，其特征是与区域伸展构造相关的广泛火山碎屑岩活动。沿该复合体东缘出露的基利斯特拉火山碎屑岩的K-Ar年龄介于约9.4 Ma至约7.9 Ma之间，表明晚中新世期间存在反复的爆炸性喷发（Besang等人，1977）。

先前的研究已经建立了这些沉积物的大致地层框架（图1；图2；图3），但尚未完全阐明其内部结构、沉积过程或盆地尺度控制因素的作用（Besang等人，1977；Keller等人，1977；Temel等人，1998a；Kurt等人，2005；Asan等人，2024）。特别是火山碎屑密度流与河流-湖泊环境之间的相互作用仍不明确。

本研究旨在：（i）详细研究基利斯特拉火山碎屑岩的火山地层学特征；（ii）分析其地球化学和地质年代学演化；（iii）评估在结构控制盆地中的火山碎屑密度流沉积过程。通过结合野外观察、地球化学分析、锆石U-Pb测年以及基于GIS的空间分析，我们为复杂火山-沉积环境中的火山碎屑岩沉积和扩散提供了新的见解。

章节摘录

区域火山背景

埃伦勒尔达格-阿拉卡达格火山复合体（ErAVC）位于安纳托利亚中部的阿纳托利德-陶里德地块（Anatolide–Tauride block）内，介于中央安纳托利亚火山省（CAVP）和克尔卡-阿菲永-伊斯帕尔塔火山省（KAIVP）之间（图1）。CAVP主要由钙碱性火山岩组成，包括玄武岩到流纹岩成分，包含单成因火山体（如火山渣锥、穹丘、玛珥）和多成因成层火山（如梅伦迪兹、哈桑达吉、埃尔奇耶斯）。

野外研究与采样

野外工作在埃伦勒尔达格-阿拉卡达格火山复合体（ErAVC，土耳其科尼亚西南部）的东缘进行，重点进行了详细的地层记录、相特征分析以及基利斯特拉火山碎屑岩的系统性采样。采集了全岩块样和浮石碎屑，用于岩石学、地球化学和地质年代学分析。Keller等人（1977）编制的地质图作为基础，并根据新的野外观察结果进行了修订。

基利斯特拉火山碎屑岩与火山地层学

研究区域被划分为北部（近端-中部相）和南部（远端相）两个区域（图3）。测量了十二个地层剖面，以记录火山序列中的垂直和侧向变化（补充材料1）。

本研究中使用的岩相术语和缩写遵循Branney和Kokelaar（2002）的火山碎屑岩相分类方案。

讨论

基利斯特拉火山碎屑岩记录了在一个火山-沉积盆地中的多次喷发事件，该盆地的特征是火山活动和河流-湖泊沉积的交替。结合基于野外的火山地层学、相分析、全岩地球化学以及U-Pb地质年代学的研究，为评估该系统的时空演化提供了框架。

然而，在大型火山碎屑岩系统中重建喷发过程和确定源区位置仍然具有挑战性。

结论

基利斯特拉火山碎屑岩记录了在结构控制的河流-湖泊盆地中的多次爆炸性喷发事件，这些喷发发生在埃伦勒尔达格-阿拉卡达格火山复合体的北-东北边缘。综合火山地层学、岩石学、地球化学、地质年代学和基于GIS的分析，识别出四个主要的火山碎屑岩单元（埃伦卡亚、埃夫利亚特克克、德特塞和萨迪克拉），并表明至少在晚中新世期间发生了两次主要喷发事件。

埃伦卡亚火山碎屑岩代表了体积上占主导地位的喷发事件。

CRediT作者贡献声明

梅苏特·贡杜兹（Mesut Gündüz）：负责撰写初稿、调查、正式分析及概念构建。库尔沙德·阿桑（Kür?ad Asan）：负责修订与编辑、撰写初稿、项目管理、方法论制定、调查及概念构建。

资金支持

作者声明没有已知的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的个人利益关系。

致谢

本研究是第一作者在穆尔拉·斯蒂克·科奇曼大学（Mu?la-S?tk? Ko?man University，土耳其穆尔拉）完成的博士论文的一部分。我们感谢Jocelyn McPhie博士对火山碎屑岩岩石学和解释方面的建设性评论和建议，这些评论极大地提高了论文的质量。同时，我们也感谢编辑Lucia Capra博士以及审稿人Karoly Nemeth博士和Mátyás Hencz博士提出的批评性和建设性意见，这些意见也提升了论文的质量。