破火山口形成前的基性-酸性岩浆相互作用与浅层岩浆活动：来自日本九州南部的阿伊拉破火山口的证据

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Mafic–felsic magma interaction and shallow magma processes prior to caldera formation: Evidence from the Aira caldera, southern Kyushu, Japan

　　

摘要

要了解在大型破火山口形成喷发之前，基性岩浆补充、地壳相互作用以及岩浆混合的运作机制，对于阐明硅质岩浆系统的演化至关重要。然而，在许多破火山口系统中，关于破火山口形成前的基性至中性岩浆作用过程仍缺乏足够的研究。位于日本九州南部的阿莱破火山口为研究这些过程提供了绝佳的天然实验室。在此，我们针对7个破火山口形成前（约95–30千年前）的火山产物，提出了新的岩石学、全岩地球化学以及锶同位素数据。这些岩石的成分范围很广（SiO?含量为54–77重量%，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.7055–0.7074），尤其是基性至安山质成分的同位素变化尤为显著。这类变化无法仅通过分异结晶或简单的岩浆混合来解释，而是需要地幔来源的玄武质岩浆与上地壳物质之间的相互作用，从而产生成分不均一的基性岩浆。相比之下，高硅含量的流纹质岩浆的锶同位素组成相对均匀，这表明它们源自混合良好的地壳或下地壳物质。英安质岩浆则被认为是这些不均一的基性岩浆与均匀的硅质岩浆混合的结果，这一结论得到了条带状浮石存在的支持。这些结果表明，破火山口形成前的岩浆系统以同位素不均一的基性岩浆与上地壳中均匀的硅质岩浆库共存为特征。我们认为，在破火山口形成喷发之前，包括岩浆补充、地壳吸收以及岩浆混合在内的浅层过程，在形成观测到的成分多样性方面发挥了关键作用。

引言

大型破火山口形成喷发是地球上最重大的火山事件之一，它们为理解大型硅质岩浆系统的形成与演化提供了重要线索（例如de Silva，2012；Cashman和Giordano，2014）。要了解此类喷发之前的岩浆生成与演化过程，对于阐明大型硅质岩浆库的形成及其喷发行为至关重要。

位于日本西南部九州南部火山带上的阿莱破火山口（见图1a），为研究破火山口形成前的岩浆过程提供了绝佳的天然实验室。九州南部是全球最活跃的硅质火山区域之一，这里有许多大型破火山口（如Kakuto、Kobayashi和Ata，见图1a），它们都是由于菲律宾海板块俯冲所引发的岩浆活动而形成的（例如Kobayashi等人，1983；Machida和Arai，2003）。因此，该地区为了解岛弧环境中大型硅质岩浆系统的生成、储存与演化提供了重要信息。

在破火山口形成事件之前及即将发生时喷发的火山产物，在破火山口周围保存得相当完好（Nagaoka等人，2001）。阿莱破火山口（Matsumoto，1943）是在大约30千年前，由超过450立方公里的大规模火山碎屑喷发所形成的（Machida和Arai，2003；Smith等人，2013；Geshi等人，2021）。在破火山口形成之前，现今破火山口区域内及其周边发生了多次溢流式和爆炸性喷发（Sudo等人，2000；Nagaoka等人，2001），其中包括在103至30千年前频繁发生的爆炸性喷发，其喷发量在0.08至40立方公里之间（Nagaoka等人，2001）。这些破火山口形成前的火山产物为了解导致破火山口形成喷发的岩浆系统演化提供了重要依据。

形成破火山口的岩浆主要是高硅含量的流纹岩（SiO?含量为74.0–76.5重量%），其中还有少量英安岩，表现为深色浮石（Tsukui和Aramaki，1990）。这些火山的全岩成分以及斑晶成分的差异都相对较小，这表明其岩浆库在化学和温度上较为均匀（Tsukui和Aramaki，1990；Arakawa等人，1998）。先前的研究认为，这些岩浆是由下地壳的部分熔融产生的，同时还有玄武质岩浆与沉积基底物质之间的相互作用（Arakawa等人，1998），而Kimura等人（2015）则认为它们的来源成分类似于上地壳。

最近的研究进一步强调了深地壳和浅层储层过程在阿莱岩浆系统演化中的重要性。Kuritani（2023）提出了长期存在的地壳软流圈系统的概念，而Nishihara等人（2024）则认为，基性岩浆和硅质岩浆都是通过不同程度的基性角闪岩质下地壳部分熔融而产生的。此外，岩石学和火山学研究也表明，在破火山口形成喷发之前，流纹质岩浆在破火山口下方约4–5公里深的浅层地壳储层中积累（Yasuda等人，2015；Geshi等人，2020，Geshi等人，2021）。这些模型与硅质岩浆储层的理论框架基本一致，即大量硅质岩浆在长期存在的地壳系统中生成、积累并保持热状态（例如Hildreth，1981；Bachmann和Bergantz，2004，Bachmann和Bergantz，2008）。

与相对均匀的破火山口形成产物相比，破火山口形成前的火山产物则具有从玄武质安山岩到流纹岩的广泛成分范围（SiO?含量为53–77重量%；Takahashi等人，2013；Kuritani，2023）。Takahashi等人（2013）认为，这种多样性反映了岩浆混合过程，而非简单的分异结晶作用。Kuritani（2023）最近的同位素研究进一步强调了破火山口形成前期基性岩浆和长英质岩浆的成分多样性及其复杂的起源，他认为基性岩浆源自地幔，而长英质岩浆则来自下地壳。然而，基性至中性岩浆的演化过程，以及它们与破火山口形成前的硅质岩浆之间的关系，仍缺乏足够的了解。尤其的是，浅层地壳过程在将成分不均一的基性岩浆与相对均匀的硅质岩浆联系起来方面的作用，至今尚未完全明确。这一缺陷十分重要，因为基性岩浆补充与硅质岩浆储层之间的相互作用被广泛认为是大型岩浆系统演化以及引发硅质岩浆喷发的关键过程（例如Huppert和Sparks，1988；Hildreth，2004），但其在阿莱系统破火山口形成前的演化过程中的作用尚不清楚。

在本研究中，我们研究了阿莱破火山口形成前的火山产物的岩石学和地球化学特征，重点关注基性至安山质成分的岩石。通过分析全岩主量和微量元素组成以及锶同位素数据，我们的目标是：（1）确定导致成分多样的基性至中性岩浆生成的机制；（2）阐明这些岩浆在破火山口形成喷发之前与浅层地壳中同时存在的硅质岩浆之间的相互作用。本研究为浅层岩浆过程的作用提供了新的见解，尤其是地壳相互作用和岩浆混合的作用，补充了那些强调深地壳岩浆生成的现有模型，有助于更全面地理解大型硅质岩浆系统的形成过程。

章节节选

阿莱破火山口的地质环境

位于日本西南部九州南部的阿莱破火山口是日本第四纪最大的破火山口之一，直径约为20公里（见图1a）。它位于鹿儿岛地堑内的火山带，这是一个伸展构造带，那里有包括Kakuto、Kobayashi和Ata在内的多个大型破火山口呈线性分布（见图1a）。因此，了解阿莱系统的破火山口形成前的岩浆演化过程，有助于更深入地理解大型硅质岩浆系统的形成过程。

材料与分析方法

为了研究约95–30千年前破火山口形成前火山活动所涉及的岩浆的地球化学特征，我们对来自7个火山单元的37个样本的全岩主量和微量元素组成以及锶同位素比值进行了分析，这些火山单元包括Shikine和Shimizu熔岩、Fukuyama和Otsuka浮石坠落沉积物，以及Iwato、Fukaminato和Kenashino火山灰层（见图2）。Iwato样本包括来自多个地层亚单位的火山渣、浮石以及条带状浮石（Nagaoka等人，2001）。只有新鲜的

结果

破火山口形成前的火山产物的成分范围很广（SiO?含量为54–77重量%），这一范围比形成破火山口的产物（SiO?含量为67–77重量%）更宽（见图3）。Iwato火山灰层的成分变化最为显著，其中包括安山质火山渣、英安质至流纹质的条带状浮石以及流纹质浮石。Kenashino和Iwato火山灰层、Fukaminato和Otsuka浮石坠落沉积物以及Shimizu熔岩中的一些样本，其SiO?含量很高，为74–77重量%，与

基性岩浆成分变异的成因

阿莱火山系统的破火山口形成前的基性至中性岩浆具有显著的成分变异，尤其是在锶同位素比值和微量元素组合方面（见图6、图8）。这些变化发生在相对有限的SiO₂范围内，因此不能仅通过分异结晶来解释，因为同位素比值通常对晶体分异过程并不敏感（Dickin，2005）。这一关系表明，地壳相互作用过程

结论

本研究分析了阿莱破火山口形成前（95–30千年前）的火山产物的全岩地球化学成分和锶同位素组成，为破火山口形成喷发之前的岩浆演化提供了新的约束条件。主要结论如下。

• (1)
  破火山口形成前的火山产物具有广泛的成分范围（SiO?含量为54–77重量%，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.7055–0.7074），这一范围明显宽于形成破火山口的硅质岩浆的成分范围。
• (2)
  基性至安山质岩浆（例如Shikine熔岩

作者贡献说明

Masaya Miyoshi：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，项目管理。Yuko Sekiguchi：撰写——初稿，正式分析，数据整理。Toshiaki Hasenaka：监督，项目管理。Shun'’ichi Nakai：验证，监督，方法论，正式分析，数据整理。Yasushi Mori：方法论，正式分析，数据整理。Natsumi Hokanishi：方法论，正式分析，数据整理。

未引用参考文献

Davidson等人，2005

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢编辑Michael Heap教授对这篇手稿的处理工作。同时，我们也感谢I. Dogancan Yasar博士以及一位匿名审稿人提出的建设性、富有思考且富有洞察力的意见，这些意见极大地提升了手稿的质量。我们还要感谢Nagaoka Shinji教授在野外考察期间给予的宝贵建议。此外，我们也要感谢俄勒冈州立大学的S. de Silva教授对手稿早期版本提出的建设性意见。共有27个样本的锶同位素分析工作已经完成

Masaya Miyoshi|Yuko Sekiguchi|Toshiaki Hasenaka|Shun'’ichi Nakai|Yasushi Mori|Natsumi Hokanishi

日本福冈市福冈大学理学部地球系统科学系，邮编814-0180