2024年11月印度尼西亚Lewotobi Laki-laki火山喷发中安山质与玄武安山质共存岩浆的喷发前与同喷发动力学

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Pre- and syn-eruptive dynamics of coexisting andesite and basaltic-andesitic magmas driving the November 2024 eruption of Lewotobi Laki-laki, Indonesia

　　

2024年11月印度尼西亚Lewotobi Laki-laki火山喷发以爆炸性活动为特征，产生大量包括火山弹在内的火山碎屑沉积物。主阶段沉积物以原生物质为主，由浮岩、火山渣和条带状浮岩组成，含少量新鲜至蚀变岩屑。原生白色浮岩（Lwtb1）全岩成分为安山岩，基质玻璃为流纹质；灰褐色浮岩或火山渣（Lwtb2?P和Lwtb2?S）及黑色火山渣（Lwtb3）全岩成分为玄武安山岩，基质玻璃为英安质。玄武安山质样品具相对高的Sr/Y和Cr及较低的Zr浓度，而安山质样品显示较低的Sr/Y和Cr及较高的Zr含量。使用PELE进行热力学模拟表明，安山质与玄武安山质成分均源自同一母岩浆经渐进分离结晶演化而来。玄武安山质岩浆显示矿物尺度成分变化，指示弱分层；而更演化的安山质岩浆结晶度较高（25–50?vol%），含丰富晶体集合体，与储存在富晶体mush（晶粥）中一致。压力–温度估算大量重叠，演化安山质岩浆储存于～93–390?MPa和1070–1125?°C，玄武安山质岩浆储存于～30–350?MPa和1000–1135?°C，指示垂向延伸的岩浆系统。研究人员推断安山质岩浆代表系统中演化的富晶体晶粥部分，深度约3.7至15.6?km，而弱分层的玄武安山质岩浆占据约1.2–14?km更广深度范围。斜长石的不平衡结构（包括反向、斑状、筛状和溶蚀环带）表明喷发前反复岩浆补给和晶粥再活化。两种岩浆中斜长石的不平衡结构（如反向、斑状、筛状和溶蚀）指示反复补给，促进喷发前晶粥再活化。原生产物基质气泡数密度（1013至1014?m?3）与全球爆炸性喷发一致。弱分层系统（如推断的玄武安山质岩浆）可能因补给和挥发分含量变化促进溢流与爆炸行为间快速转换。火山弹的存在因其冲击潜力进一步放大了灾害。这些发现强调需持续监测地球物理信号与地球化学指标，以改进Lewotobi Laki-laki喷发预报与减灾。

研究背景方面，Lewotobi是位于印度尼西亚东努沙登加拉弗洛勒斯岛的双火山，由北侧的Lewotobi Laki-laki和南侧的Lewotobi Perempuan组成，周边人口稠密，设施距山顶3 km内，喷发对社区影响显著。历史喷发火山爆发指数（VEI）通常为1至3，2024年11月喷发影响11?553名居民，但此前关于Lewotobi Laki-laki喷发产物的地质数据有限，仅有的研究限于一般矿物学和少量全岩地球化学数据且缺乏采样位置与年代信息，因此亟需表征此次爆炸性喷发产物以提供基线数据用于减灾研究。研究人员对2024年11月爆炸性阶段产物（火山灰、火山砾和火山弹）进行采样与综合分析，得出该火山具共存安山质与玄武安山质岩浆的垂向延伸系统，受反复补给触发爆炸喷发等结论，对完善监测与灾害评估有重要意义，论文发表于《Journal of Volcanology and Geothermal Research》。

为开展研究，研究人员用到的主要关键技术方法包括：在危机期间于近源区（距火口<10 km）与远源区（距火口约80 km的毛梅雷市）采集9件火山碎屑沉积物样品（7件火山灰、1件火山砾、1件块状火山弹）；对火山砾与火山灰进行组分分析，通过肉眼观察与干筛、锥四分法获取代表性样品并在双目立体显微镜下统计原生与非物质组分比例；采用基于图像的自动化颗粒分析用PARTISAN software量化灰颗粒形态参数；制备抛光片与薄片，用电子探针显微分析仪（EPMA）获取背散射电子（BSE）图像并进行晶体与气泡定量纹理分析，采用decoalescing技术恢复合并气泡原始数目与尺寸，依据Shea（2017）方法由基质气泡数密度（MVND）估算减压速率；用X射线荧光（XRF）测定全岩主量元素，用EPMA测定基质玻璃与矿物主量元素，用X射线衍射（XRD）分析块体与定向灰样；采用Putirka（2008）与Wang et al.（2021）的辉石热力学公式及斜长石–熔体湿度计估算压力、温度与水含量，并用PELE（PC版MELTS）进行分离结晶模拟验证。

研究结果如下：

5.1 The November 2024 eruptions products（2024年11月喷发产物）：通过对喷发产物组分与岩相观察，识别出四类玻璃质原生碎屑（白色浮岩Lwtb1、灰褐色浮岩与火山渣Lwtb2?P和Lwtb2?S、黑色火山渣Lwtb3）及条带状碎屑Lwtb4，灰颗粒按颜色对应分类；各期次样品中Lwtb2占比最高，近源与远源组分差异反映喷发过程变化；11月4日样品含火山弹与灰，具结壳构造，XRD显示仅该日样品含鳞石英、石膏与硬石膏；随时间推移自由晶体比例增加，氧化岩屑逐渐减少。

5.2 Ash morphology（灰形态）：对实时灰样原生颗粒形态计量分析显示，各日期灰颗粒整体具高实度与高凸度，11月4日实度约0.85–0.95、凸度约0.85–0.97；11月7日向较低值分散（实度约0.70–0.90、凸度约0.60–0.90）；11月9日居中；11月12日与13日值升高且分布变窄，反映后期喷发相态更均一。

5.3 Chemical and textural variations of the eruption products（喷发产物的化学与纹理变化）：全岩成分显示Lwtb1为安山质（SiO₂约59.7–59.9?wt%）、基质玻璃为流纹质（SiO₂约73–77?wt%），Lwtb2与Lwtb3为玄武安山质（SiO₂约55.0–56.8?wt%）、基质玻璃为英安质（SiO₂约62–70?wt%）；安山质具低Sr/Y、低Cr、高Zr，玄武安山质相反。矿物学上所有样品斜长石发育反向、斑状、筛状、溶蚀等不平衡结构，Lwtb1晶体聚合体最多、结晶度25–50?vol%，斜长石An最低、辉石Mg#最低；玄武安山质样品结晶度较低（Lwtb2?P约19%、Lwtb2?S约26%、Lwtb3约34%），具较高An与Mg#，深色渣样微晶数密度（MND）更高、基质气泡数密度（MVND）较低。

5.4 Textural properties of the distinct juvenile clast of November 2024 Lewotobi lapilli clasts（2024年11月Lewotobi火山砾中不同原生碎屑的纹理特征）：定量分析显示斑晶分数（ф_PC）与总气泡分数（ф_BV）呈负相关；浮岩MVND高于火山渣，Lwtb1微晶数密度最低（7.4×10¹³?m^?3），渣样较高（达7.5×10¹⁴?m^?3）；浮岩微晶以枝状、针状为主，渣样以板状、等轴为主；由MVND估算减压速率显示浮岩约11.2?MPa/s，渣样约4.7–5.8?MPa/s，浮岩上升更快。

5.5 Pressure, temperature, and water content estimation（压力、温度与水含量估算）：正交辉石–熔体温度计与单斜辉石–熔体温压计给出安山质岩浆储存P–T为～93–390?MPa、1070–1125?°C，玄武安山质为～30–350?MPa、1000–1135?°C；斜长石–熔体湿度计显示Lwtb2?P水含量最高（平均3.4?wt%?H₂O），其余约2.4?wt%?H₂O；PELE模拟以Lwtb2?S成分为母岩浆，在266?MPa与133?MPa、H₂O?2.5–3.5?wt%下能复现全岩成分演化趋势，表明安山质与玄武安山质源自同一母岩浆分离结晶，部分矩阵玻璃偏离趋势反映开放体系补给与混合。

讨论部分总结：研究人员指出喷发产物对应两类成分岩浆，PELE模拟支持同源分离结晶演化，Lwtb1为最演化端元，代表富晶体安山质晶粥（深度3.7–15.6?km），具高结晶度、丰富晶体聚合体与低Sr/Y，记录反复补给与再活化；玄武安山质岩浆（1.2–14?km）具弱分层，从浅部浮岩到深部渣样结晶度与An增加，全岩差异小但矿物尺度变化明显，本身也受更深部原始岩浆强烈补给；二者压力重叠允许侧向相互作用，热补给维持晶粥部分熔融；11月4日具水–岩浆相互作用特征（富蚀变岩屑、聚集灰、高实度块状颗粒、含石膏、硬石膏、鳞石英），后期过渡为岩浆主导破碎；浮岩快减压抑制微晶生长、MVND高，渣样慢减压微晶发育；条带状浮岩指示熔体混合，多次补给（深部原始岩浆注入玄武安山质室、玄武安山质侧向补给安山质晶粥）与降雨/热液流体共同触发喷发；MVND与微晶数密度（MND）达全球亚普林尼–普林尼级水平，火山弹与弱分层系统加剧灾害，需综合地球物理与地球化学监测。

结论部分翻译：2024年11月Lewotobi Laki-laki喷发原生产物包括浮岩（Lwtb1和Lwtb2?P）、火山渣（Lwtb2?S和Lwtb3）与条带状碎屑（Lwtb4），以及新鲜与热液蚀变岩屑组成的非原生物质。Lwtb1以安山质全岩成分与流纹质基质玻璃区别于玄武安山质全岩与英安质基质玻璃的Lwtb2?P、Lwtb2?S和Lwtb3。PELE全岩地球化学模拟表明所有原生产物定义连贯分离结晶趋势，连接玄武安山质至安山质岩浆成分；白色浮岩Lwtb1代表最演化端元，反映对晚期结晶与脱气过程特别敏感的强分化熔体，因此在基质玻璃化学图中偏离主成分趋势，其余原生产物一致遵循主导分离结晶轨迹。Lewotobi Laki-laki岩浆系统最好描述为单一岩浆储层，由富晶体安山质晶粥与弱分层玄武安山质岩浆组成，共同解释喷发原生产物成分变化。富晶体安山质岩浆（3.7–15.6?km深）由Lwtb1代表；玄武安山质岩浆由Lwtb2?P、Lwtb2?S和Lwtb3代表，在其（1.2–14?km深）内地球化学与结晶度系统变化指示弱分层岩浆房，Lwtb2?P为上、Lwtb2?S与Lwtb3为下。两类岩浆斜长石均发育反向环带、筛状结构、溶蚀面等不平衡结构，指示反复岩浆混合与补给；安山质岩浆受玄武安山质岩浆侧向补给，后者再受更深部更原始岩浆补给。喷发可能由岩浆补给结合水–岩浆相互作用启动，表现为富蚀变岩屑、原生灰、块状灰颗粒与增生火山砾；原生产物基质气泡数密度（MVND）与全球爆炸性喷发值一致，块状火山弹因弹道冲击潜力进一步放大灾害；弱分层岩浆系统（如推断的玄武安山质岩浆）一旦跨越临界失稳阈值可快速从溢流转为爆炸活动；这些发现强调需持续监测地球物理信号与地球化学指标，以提升Lewotobi Laki-laki喷发预报与减灾能力。