尼加拉瓜三座火山的火山巖巖石學(xué)、地球化學(xué)和斜長(zhǎng)石晶體大小分布特征研究*

于紅梅 白翔 魏海泉 許建東 陳正全

1. 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，吉林長(zhǎng)白山火山國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 1000292. 中國(guó)地震局地震與火山災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

俯沖帶火山巖的成分是多種巖漿過(guò)程共同作用的結(jié)果，主巖漿從源區(qū)分離之后開(kāi)始不斷地結(jié)晶，然后可能會(huì)發(fā)生晶體生長(zhǎng)、地殼混染、揮發(fā)分的變化、不同成分的巖漿的補(bǔ)給及其之后的混合作用等(Viccaroetal., 2012)，這些過(guò)程的發(fā)生最終對(duì)巖漿成分的影響很難確定。對(duì)火山巖及其內(nèi)部斑晶進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)的分析，可以了解巖漿噴發(fā)前關(guān)于這些作用過(guò)程的信息。例如，斜長(zhǎng)石是火山巖中最普遍的礦物，一些研究中通過(guò)對(duì)火山巖中斜長(zhǎng)石進(jìn)行結(jié)構(gòu)和成分特征的分析來(lái)獲取巖漿動(dòng)力學(xué)信息(Anderson, 1984; Costaetal., 2003; Davidson and Tepley Ⅲ, 1997; Ginibreetal., 2002a, b; Izbekovetal., 2002; Ruprecht and W?rner, 2007; Shcherbakovetal., 2011; Singeretal., 1995)。

定量統(tǒng)計(jì)晶體的大小分布可以探究巖漿結(jié)晶時(shí)的環(huán)境，即晶體大小分布(Crystal Size distribution, CSD)理論。該理論最初由Marsh (1988)、Cashman and Marsh (1988)引進(jìn)地球科學(xué)，其研究晶體密度的對(duì)數(shù)(單位體積內(nèi)某粒度范圍的晶體數(shù)量除以粒度間隔寬度)與晶體長(zhǎng)度之間的關(guān)系，不同的巖漿環(huán)境產(chǎn)生不同的CSD曲線。例如如果環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，CSD曲線應(yīng)該為線性；兩種巖漿的混合會(huì)使得CSD曲線呈上凹型，粗化或成熟會(huì)使小尺寸晶體數(shù)量減少，大尺寸晶體數(shù)量增多。某一巖石的CSD曲線與密度或成分一樣，是巖石的內(nèi)在性質(zhì)決定的(Higgins, 2006)。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用到了較多火山研究中(Brugger and Hammer, 2010; Fornaciaietal., 2009, 2015; Innocentietal., 2013a, b; Morgan and Jerram, 2006; Noguchietal., 2006; Pourkhorsandietal., 2015; Yuetal., 2012)。

尼加拉瓜火山帶位于中美洲火山弧，由科科斯板塊向加勒比板塊俯沖作用產(chǎn)生(Kutterolfetal., 2007)，在尼加拉瓜南俯沖速率達(dá)8cm/y(Saginoretal., 2011)。尼加拉瓜境內(nèi)共有19座活動(dòng)火山，空間上緊密相連(圖1a)。多數(shù)火山還在高度活躍中，具有很高的噴發(fā)危險(xiǎn)性，但還未進(jìn)行深入的研究。本次對(duì)尼加拉瓜火山帶上的康塞普西(Concepción)火山、馬德拉斯(Maderas)火山和馬薩亞(Masaya)火山采集的樣品進(jìn)行巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，分析內(nèi)部斑晶的結(jié)構(gòu)，并統(tǒng)計(jì)熔巖內(nèi)斜長(zhǎng)石斑晶CSD特征，討論三座火山巖漿演化過(guò)程及巖漿活動(dòng)特征。

1 三座火山地質(zhì)背景

康塞普西火山地理坐標(biāo)11°32′16.8″N、85°37′19.2″W，海拔高度1700m，坐落于尼加拉瓜湖中，是尼加拉瓜最高，也是最活躍的一座火山。它形成于湖相沉積之上，是一座由玄武質(zhì)和英安質(zhì)巖組成的復(fù)式火山。該火山最初噴發(fā)于早更新世，經(jīng)過(guò)一段很長(zhǎng)時(shí)間的休眠之后，于1880年12月恢復(fù)噴發(fā)，大部分噴發(fā)發(fā)生在1883年至1977年(Simkin and Siebert, 1994)。現(xiàn)在的錐體生長(zhǎng)于一個(gè)大破火口之上。最新噴發(fā)于2010年，噴發(fā)強(qiáng)度較大，為斯通博利式或亞布里尼式噴發(fā)(Borgia and Van Wyk de Vries, 2003)。該火山是一座高度危險(xiǎn)的火山。

馬德拉斯火山地理坐標(biāo)11°26′46″N、85°30′54″W，海拔高度1394m，規(guī)模比康塞普西火山小，火山口形成火山口湖。它通過(guò)一條狹窄的地峽連接康塞普西火山。康塞普西火山和馬德拉斯火山共同組成了地球上位于淡水湖內(nèi)的最大火山島——奧梅特佩(Ometepe)島。火山巖的40Ar/39Ar年齡為179.2±16.4ka到70.5±6.1ka(Kapelanczyketal., 2012)。該火山目前處于休眠狀態(tài)。

馬薩亞火山地理坐標(biāo)11°58′58″N、86°9′43″W，海拔635m。位于尼加拉瓜首都馬那瓜南20km，距離康塞普西火山約70km。馬薩亞火山機(jī)構(gòu)復(fù)雜，由一系列嵌套的火山口和破火山口組成。馬薩亞主破火口形成于2500年前的一次玄武質(zhì)造伊格尼姆巖噴發(fā)，噴發(fā)體積達(dá)8km3。兩條主要的熔巖流噴發(fā)于1670和1772年。該火山有歷史記錄的噴發(fā)就達(dá)31次，最近的噴發(fā)主要為射汽式噴發(fā)，最近50年內(nèi)有過(guò)幾個(gè)不連續(xù)的爆炸式噴發(fā)，其中2001年4月23日火山口爆炸，噴出的火山碎屑最大直徑60cm，噴出高度到500m。目前該火山還在持續(xù)活動(dòng)中。

在三座火山不同位置上共采集13個(gè)樣品，采樣位置見(jiàn)圖1和表1。

表1 采集樣品位置與巖性

圖1 尼加拉瓜火山分布及三座火山采樣點(diǎn)(a)尼加拉瓜火山分布(底圖來(lái)自http://srtm.csi.cgiar.org/srtmdata/)；(b)馬薩亞火山采樣點(diǎn)(底圖來(lái)自Google Earth)；(c)康塞普西火山和馬德拉斯火山采樣點(diǎn)(底圖來(lái)自Google Earth)Fig.1 The distribution of volcanoes in Nicaragua and sample locations in three volcanoes

2 研究方法

2.1 全巖成分分析

對(duì)采集的13個(gè)樣品進(jìn)行了全巖主量元素成分測(cè)試，分析是在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成的，分析儀器為AxiosmaxX射線熒光光譜儀，相對(duì)誤差≤5%。利用X等離子體質(zhì)譜儀(Thermo X-series Ⅱ ICP-MS)進(jìn)行了全巖微量元素成分測(cè)試，分析在中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差≤5%。主微量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW07104(GSR-2)和GBW07105(GSR-3)。Sr、Nd、Pb同位素在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成。測(cè)試儀器為英國(guó)Nu公司生產(chǎn)的多接收電感耦合等離子質(zhì)譜儀Nu Plasma Ⅱ。標(biāo)樣為BCR-2，同位素分餾矯正參數(shù)分別為88Sr/86Sr=0.1194、146Nd/144Nd=0.7219和205Tl/203Tl=2.3875。

2.2 光學(xué)顯微鏡下分析和斑晶成分測(cè)試

把采集的熔巖樣品切制成薄片，在顯微鏡下觀察樣品的結(jié)構(gòu)和斑晶類(lèi)型，用線截距法統(tǒng)計(jì)樣品中氣孔和各種斑晶百分含量。對(duì)熔巖中的輝石和斜長(zhǎng)石斑晶進(jìn)行了電子探針測(cè)試，部分測(cè)試是在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成的，所用儀器為日本JEOL公司JXA8100型電子探針。部分在中國(guó)科學(xué)院大陸碰撞與高原隆升重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，所用儀器為日本電子JEOL公司的JXA-8230型電子探針。實(shí)驗(yàn)條件均為：電壓15kV，束流20nA，束斑直徑5μm。

2.3 晶體大小分布統(tǒng)計(jì)

晶體大小分布分析需要統(tǒng)計(jì)晶體的長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度、晶體的三軸比、晶體的“圓度”和統(tǒng)計(jì)的樣品面積。在顯微鏡下統(tǒng)計(jì)熔巖樣品內(nèi)晶體的長(zhǎng)軸和短軸大小，利用Morgan and Jerram (2006)給出的CSD Slice軟件，可以獲得斑晶和微晶的三軸比，晶體的“圓度”根據(jù)顯微鏡下觀察的晶體形狀確定，統(tǒng)計(jì)面積為去除氣孔后的面積。把不同樣品中的斑晶尺寸導(dǎo)入到CSD Corrections軟件(Higgins, 2002)中獲得各樣品中斜長(zhǎng)石斑晶CSD圖。詳細(xì)的CSD理論和統(tǒng)計(jì)方法參考于紅梅等(2012)。

2.4 溫壓條件計(jì)算

基于Putirka (2008)單斜輝石-熔體溫壓計(jì)和斜方輝石-熔體溫壓計(jì)，利用斑晶和基質(zhì)的平衡，計(jì)算巖漿的平衡溫度和壓力。晶體與熔體之間的平衡利用輝石和熔體之間的Fe-Mg交換系數(shù)KD來(lái)確定，若KD(Fe-Mg)cpx-liq介于0.27±0.03之間，KD(Fe-Mg)opx-liq介于0.29±0.06之間，說(shuō)明輝石與熔體之間是平衡的(Putirka, 2008)。

3 火山巖地球化學(xué)特征

全巖主量元素測(cè)試結(jié)果顯示，樣品成分變化范圍很大，SiO2含量為47.60%～61.39%，Al2O3含量為14.92%～19.83%，CaO含量為4.28%～10.52%，MgO含量為1.52%～5.50%(表2)。樣品投點(diǎn)在TAS圖中處于亞堿性系列，其成分包括了玄武巖、玄武安山巖、安山巖和粗安巖(圖2a)。康塞普西火山熔巖樣品成分為玄武安山巖和粗安巖，2個(gè)空降浮巖樣品成分為安山質(zhì)。2個(gè)馬德拉斯火山熔巖樣品為玄武巖，空降浮巖樣品投點(diǎn)為粗安巖。馬薩亞火山樣品均為玄武巖。在SiO2-FeOT/MgO圖中火山巖樣品投點(diǎn)在拉斑玄武巖系列(圖2b)。

圖2 樣品全巖成分TAS圖(a,底圖據(jù)Le Maitre et al., 2002)和SiO2-FeOT/MgO圖(a,底圖據(jù)Miyashiro, 1974)Fig.2 TAS diagram (a, base map after Le Maitre et al., 2002) and SiO2 vs. FeOT/MgO diagram (b, base map after Miyashiro, 1974) of volcanic rocks

表2 樣品全巖主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)含量

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖顯示火山巖均具有輕度輕稀土富集的特征，而重稀土較平坦，康塞普西和馬德拉斯火山巖比馬薩亞火山巖輕稀土富集更明顯(圖3a)。康塞普西和馬德拉斯火山巖(La/Yb)N值為5.19～6.23，馬薩亞火山巖(La/Yb)N值為2.54～2.61， 指示了馬薩亞火山部分三座火山巖Sr-Nd-Pb同位素變化范圍較小，同位素比值接近，但略有不同(表3、圖4)?？灯杖骰鹕胶婉R德拉斯火山巖87Sr/86Sr同位素比值范圍為0.703387～0.703980，馬薩亞火山巖87Sr/86Sr同位素比值范圍略高，為0.704155～0.704167。143Nd/144Nd比值范圍比較集中，為0.513021～0.513081。在Sr-Nd同位素圖中位于原始地幔(PREMA)和科科斯板塊沉積物(CPS)之間，靠近原始地幔的位置(圖4a)。火山巖的206Pb/204Pb變化范圍為18.601～18.669，207Pb/204Pb變化范圍為15.544～15.557，208Pb/204Pb變化范圍為38.30～38.36。在207Pb/204Pb和206Pb/204Pb同位素圖中略高于NHRL，同樣處于PREMA和CPS交匯處(圖4b)。Sr、Nd和Pb同位素值均落于前人得到的尼加拉瓜西部火山巖同位素比值范圍內(nèi)。

圖3 樣品球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton, 1984)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)OIB、E-MORB和N-MORB值來(lái)自Sun and McDonough (1989)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns (a, normalization values after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) of volcanic rocks

圖4 三座火山巖樣品Sr-Nd-Pb同位素分布圖虧損地幔(DM)、富集地幔Ⅰ(EMⅠ)、富集地幔Ⅱ(EMⅡ)、高U/Pb比值的地幔(HIMU)、硅酸鹽地球(BSE)、原始地幔(PREMA)范圍據(jù)Zindler and Hart (1986). 北半球參考線(NHRL)來(lái)自Hart(1984). CPS為科科斯板塊沉積物同位素比值，范圍來(lái)自Heydolph et al. (2012). 空心圓數(shù)據(jù)為尼加拉瓜西部火山巖同位素比值，來(lái)自Feigenson et al. (2004)和Heydolph et al. (2012)Fig.4 Sr-Nd-Pb diagrams for volcanic rocks in three volcanoes, Nicaraguan

表3 三座火山巖樣品Sr-Nd-Pb同位素

熔融程度相對(duì)更高。三座火山火山巖的δEu值在0.76～1.02之間，在馬德拉斯酸性巖中δEu最低為0.76。原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖顯示較一致的變化趨勢(shì)，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、Ti，富集U和大離子親石元素Ba和K，顯示島弧火山巖微量元素特征。在馬薩亞火山巖中這些特征更明顯，Nb和Ta顯示強(qiáng)烈負(fù)異常，Sr和Pb明顯正異常(圖3b)。

4 巖相學(xué)及斑晶成分

康塞普西火山樣品7-1和7-5及馬德拉斯火山樣品13-1為爆炸噴發(fā)產(chǎn)生的空降浮巖碎屑，其它采集的樣品均為熔巖。本次研究?jī)H對(duì)熔巖樣品進(jìn)行了巖相學(xué)觀察和內(nèi)部斑晶成分的分析。

4.1 康塞普西火山

粗安巖樣品6-1，黑色致密塊狀，氣孔含量少。顯微鏡下呈斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為斜長(zhǎng)石和輝石。斜長(zhǎng)石斑晶含量8%，長(zhǎng)板狀，自形，無(wú)熔蝕特征，長(zhǎng)軸在0.3～1mm之間，多數(shù)與輝石斑晶組成聚晶(圖5a)。斜長(zhǎng)石端元組分An53.87-57.61Ab41.1-44.58Or1.29-1.59，為拉長(zhǎng)石(表4、圖6)。輝石斑晶含量約3%，柱狀、短柱狀，自形、半自形，軸長(zhǎng)0.3～0.7mm。輝石Mg#=67.47～72.41，包括了普通輝石、古銅輝石和紫蘇輝石(表5、圖7)，主要為古銅輝石。另外含有少量含鐵礦物?；|(zhì)含有長(zhǎng)石微晶，并見(jiàn)不同顏色基質(zhì)的流動(dòng)特征。

圖5 三座火山熔巖顯微結(jié)構(gòu)照片(a)樣品6-1，斜長(zhǎng)石和輝石聚晶，斜長(zhǎng)石自形，無(wú)熔蝕，單偏光；(b)樣品10-1，內(nèi)部熔蝕嚴(yán)重的斜長(zhǎng)石，單偏光；(c)樣品9-1，斜長(zhǎng)石和輝石斑晶，單偏光；(d)樣品9-1，鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，邊部拉長(zhǎng)石，背散射圖像；(e)樣品11-1，斜長(zhǎng)石和輝石斑晶，內(nèi)部熔蝕，單偏光；(f)樣品12-1，斜長(zhǎng)石和輝石斑晶，單偏光；(g)樣品11-1，鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，自形，具有生長(zhǎng)邊，單偏光；(h)為圖g的背散射圖像，鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，邊部為拉長(zhǎng)石；(i)樣品16-1，半自形橄欖石，周?chē)遍L(zhǎng)石和輝石微晶，正交偏光；(j)樣品17-1，內(nèi)部熔蝕嚴(yán)重的斜長(zhǎng)石斑晶，邊部輪廓清晰，單偏光；(k)樣品17-1，輝石和斜長(zhǎng)石斑晶，斜長(zhǎng)石內(nèi)部熔蝕，單偏光；(l)為圖k背散射圖像，邊部和核部成分相近. Ol-橄欖石；Cpx-單斜輝石；Opx-斜方輝石；Pl-斜長(zhǎng)石；G-玻璃基質(zhì)；V-氣孔Fig.5 Microphotographs of volcanic rocks in three volcanoes, Nicaraguan

圖6 長(zhǎng)石分類(lèi)圖(底圖據(jù)Smith, 1974)Fig.6 Classification of plagioclase (base map after Smith, 1974)

圖7 輝石分類(lèi)圖(底圖據(jù)Poldervaart and Hess, 1951)Fig.7 Classification of pyroxene (base map after Poldervaart and Hess, 1951)

樣品9-1和10-1為氣孔狀玄武安山巖，氣孔發(fā)育，氣孔含量10%～15%，大小0.4～2mm之間，呈不規(guī)則狀。斑晶主要為斜長(zhǎng)石和輝石，斜長(zhǎng)石含量12%，長(zhǎng)板狀，自形，大小0.1～2mm之間，內(nèi)部熔蝕，邊界清晰(圖5b, c)。大部分斜長(zhǎng)石端元組分An62.07-88.25Ab11.45-36.39Or0.11-1.55，為倍長(zhǎng)石和拉長(zhǎng)石(表4、圖6)。少量斜長(zhǎng)石CaO和Al2O3含量高，An值達(dá)92.28～93.8之間，成分投點(diǎn)于鈣長(zhǎng)石，自形。這類(lèi)鈣長(zhǎng)石具有幾十微米到上百微米的低An值邊(An=60～75)(圖5d)。輝石斑晶含量約3%，呈柱狀，尺寸0.5～1.5mm之間，熔蝕程度相對(duì)弱些。輝石Mg#=71.39～75.43，為普通輝石(表5、圖7)。極少量橄欖石斑晶(<1%)，F(xiàn)o=64.7～72(表6)?；|(zhì)為黑色玻璃質(zhì)，很少微晶。

4.2 馬德拉斯火山

樣品11-1和12-1為黑色塊狀玄武質(zhì)熔巖，氣孔含量5%左右，不規(guī)則狀，尺寸在0.1～1mm之間。斑晶蝕變嚴(yán)重，含量高，主要為斜長(zhǎng)石(15%～20%)、輝石(8%左右)和少量的橄欖石(1%)(圖5e, f)。斜長(zhǎng)石，板狀，半自形，長(zhǎng)軸在0.3～3mm之間(圖5e, f)。斜長(zhǎng)石斑晶端元組分集中在An54.28-66.07Ab32.55-42.61Or1.38-3.11，為拉長(zhǎng)石，個(gè)別為倍長(zhǎng)石(表4、圖6)。與康塞普西火山巖類(lèi)似也存在一些鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，在邊部CaO成分明顯下降為拉長(zhǎng)石(圖5g, h、表4)。輝石斑晶，柱狀，大小在0.3～1mm之間。輝石Mg#=65.81～77.29，為普通輝石、少量的古銅輝石和紫蘇輝石(表5、圖7)。橄欖石呈他形，大小在1mm左右，F(xiàn)o=57.06～78.55(表6)?；|(zhì)為黑色玻璃質(zhì)，無(wú)微晶。

4.3 馬薩亞火山

馬薩亞火山巖樣品均為黑色氣孔狀玄武巖，氣孔含量10%～45%，大小在0.3～5mm之間，圓狀、橢圓狀。顯微鏡下呈斑狀結(jié)構(gòu)，樣品18-1和20-1中斑晶含量很低，1%左右，樣品16-1和17-1中斑晶含量高10%～20%之間，斑晶類(lèi)型主要為斜長(zhǎng)石，少量橄欖石和輝石(圖5i-l)。斜長(zhǎng)石斑晶較大，0.3～3.5mm之間，發(fā)育簡(jiǎn)單雙晶、聚片雙晶，板狀，自形，大部分內(nèi)部熔蝕嚴(yán)重，形成篩狀結(jié)構(gòu)(圖5j)。其端元組分為An65.8-89.17Ab10.52-32.37Or0.14-1.95，為倍長(zhǎng)石和少量的拉長(zhǎng)石(表4、圖6)。橄欖石斑晶較小，0.1～0.7mm，半自形，無(wú)熔蝕特征(圖5i)。橄欖石Fo=73～79，為貴橄欖石(表6)。個(gè)別樣品中含有輝石斑晶，半自形，無(wú)熔蝕，其成為均為普通輝石(圖5k)。黑色玻璃基質(zhì)中可見(jiàn)大量的針狀長(zhǎng)石微晶和粒狀輝石微晶，長(zhǎng)石微晶一般小于100μm，輝石微晶幾個(gè)微米到十幾微米。

5 斜長(zhǎng)石晶體大小分布統(tǒng)計(jì)

本次研究對(duì)樣品中的斜長(zhǎng)石斑晶進(jìn)行CSD統(tǒng)計(jì)。為了得到可靠的CSD分析結(jié)果，每個(gè)樣品至少測(cè)定250個(gè)晶體(Morgan and Jerram, 2006)。本次測(cè)量的6個(gè)樣品里面斜長(zhǎng)石斑晶的數(shù)目在343～1402個(gè)之間(表7)，達(dá)到統(tǒng)計(jì)要求的數(shù)目。CSD分布曲線如圖8所示。由于樣品取自不同火山的不同流動(dòng)單元，所以CSD曲線的斜率和截距均不同。但是除了樣品6-1和16-1具有明顯的線性關(guān)系，其余樣品的斜長(zhǎng)石在直徑1～2mm之間存在轉(zhuǎn)折，CSD曲線呈現(xiàn)上凹型。

圖8 三座火山熔巖樣品中斜長(zhǎng)石CSD分布曲線Fig.8 CSD curves of plagioclase crystals in rocks from three volcanoes

表7 樣品中斜長(zhǎng)石斑晶CSD測(cè)量參數(shù)

6 巖漿平衡溫度和壓力

6-1樣品中輝石多為斜方輝石，對(duì)此樣品利用斜方輝石-熔體溫壓計(jì)計(jì)算巖漿平衡溫度和壓力，其他樣品利用單斜輝石-熔體溫壓計(jì)進(jìn)行計(jì)算，選取交換系數(shù)KD處于平衡范圍的值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表8。

康塞普西火山中酸性樣品6-1的平衡溫度和壓力相對(duì)低，溫度1048～1066℃，壓力1.8～2.6kbar，如果地殼密度按2.8g/cm3計(jì)算，其對(duì)應(yīng)巖漿深度約6.6～9.5km。10-1樣品平衡壓力增加，深度范圍6.7～18.7km。9-1樣品巖漿深度更深13.7～22.2km。馬德拉斯火山中，11-1樣品與9-1樣品的平衡溫度和壓力相近，而相對(duì)偏基性的12-1樣品的壓力明顯增加(5.9～9.7kbar；表8)，巖漿深度為21.6～35.4km?？梢?jiàn)隨著巖漿SiO2含量的降低，巖漿深度具有增加趨勢(shì)，平衡溫度也有一定的增加，但不如深度變化明顯(圖9)。

圖9 巖漿平衡溫度和SiO2含量與計(jì)算的巖漿深度關(guān)系圖Fig.9 Diagrams of relationship between magma equilibrium temperatures and SiO2 contents and the calculated depths

表8 巖漿平衡溫度和壓力計(jì)算結(jié)果

馬薩亞火山巖漿溫度略高1134～1149℃，但是由于單斜輝石含量很低，只獲得幾個(gè)處于平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù)，平衡壓力為3.4～4.9kbar，其對(duì)應(yīng)巖漿深度約12.5～17.9km。

7 討論

7.1 巖漿源區(qū)與演化

三座火山巖Sr-Nd-Pb同位素比較集中(圖4)，說(shuō)明具有相似的巖漿源區(qū)。它們?cè)赟r-Nd和Pb同位素圖解中均落在原始地幔和科科斯板塊之間， 靠近原始地幔的區(qū)域， 表明其主要來(lái)自于MORB型虧損地幔的部分熔融。與此同時(shí)，這些樣品的Sr同位素特征明顯比原始地幔更加富集，而207Pb/204Pb 和206Pb/204Pb比值也略高于原始地幔，顯示其巖漿源區(qū)很可能受到科科斯板塊沉積物的影響。Ba/La、Ba/Th、Ba/Nd和U/Th比值和Sr同位素高，應(yīng)該是受來(lái)自俯沖板片的流體影響(Heydolphetal., 2012)。但是Pb同位素并不很富集，代表俯沖的洋殼板片攜帶的放射性成因Pb含量偏低，可能因?yàn)楦_的科科斯板塊發(fā)生了蝕變作用(Feigensonetal., 2004; Heydolphetal., 2012)。因此，三座火山的同位素特征說(shuō)明它們來(lái)自受到科科斯板塊流體交代的MORB型虧損地幔的部分熔融。

康塞普西和馬德拉斯兩座火山在地理位置上相近，采集的樣品的氧化物關(guān)系圖顯示很好的線性關(guān)系(圖10)。CaO、Al2O3、MgO、FeOT、TiO2含量與SiO2含量呈負(fù)相關(guān)，K2O和Na2O含量與SiO2含量呈正相關(guān)，指示巖漿的演化與輝石、斜長(zhǎng)石、鈦鐵礦等分離結(jié)晶有關(guān)。兩座火山熔巖的稀土和微量元素標(biāo)準(zhǔn)化圖一致，范圍基本重疊(圖3)。從樣品的巖相上，其內(nèi)部的斑晶類(lèi)型和化學(xué)成分相近，均存在鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，并且鈣長(zhǎng)石邊部具有低An值。這些均反映了兩座火山相同的巖漿源區(qū)。

圖10 樣品全巖主量元素氧化物關(guān)系圖Fig.10 Diagrams of major oxides of rocks from three volcanoes

馬薩亞火山巖與以上兩座火山巖略有不同，自3萬(wàn)年以來(lái)成分變化范圍較小(Walkeretal., 1993; Zureketal., 2019; Bamberetal., 2020)，包括玄武質(zhì)和玄武安山質(zhì)(Pérezetal., 2009)，本次所采樣品屬于玄武質(zhì)。與其它兩座火山巖樣品氧化物呈非線性關(guān)系，在Al2O3、TiO2、FeOT含量與SiO2含量關(guān)系圖中更為明顯(圖10)。馬薩亞火山巖中熔蝕的斑晶一般為較大的斜長(zhǎng)石，其成分An值(65.8～89.17)很高，主要為倍長(zhǎng)石。其FeO含量明顯高(0.79%～1.55%)，其它兩座火山巖中斜長(zhǎng)石的FeO含量為0.4%～0.83%(圖11)，另外全巖的FeO含量也高于其它兩座火山巖。馬薩亞火山巖Sr同位素比其他兩座火山巖Sr同位素略高，并且輕稀土不如其它兩火山富集，(La/Yb)N明顯低，Nb、Ta、La和Ce相比其它兩座火山巖的值負(fù)異常更強(qiáng)烈，Ba/La、Ba/Th、Ba/Nd和U/Th比值比其它兩座火山巖的值更高，說(shuō)明馬薩亞火山有更多俯沖板片產(chǎn)生的流體加入到地幔楔中，造成了更強(qiáng)烈的部分熔融。

圖11 三座火山巖樣品中斜長(zhǎng)石FeO與SiO2含量關(guān)系Fig.11 Diagram of FeO vs. SiO2 contents in plagioclase of rocks from three volcanoes

馬薩亞熔巖中斜長(zhǎng)石斑晶較自形，但內(nèi)部熔蝕嚴(yán)重(如圖5j)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“篩狀結(jié)構(gòu)”，一般為巖漿解壓作用(Nelson and Montana, 1992)或者與更熱的、更富Ca的巖漿反應(yīng)(Tsuchiyama, 1985)產(chǎn)生。電子探針結(jié)果顯示斜長(zhǎng)石晶體內(nèi)部成分并無(wú)明顯變化(圖5l)，未發(fā)現(xiàn)更富Ca的成分。所以推測(cè)是巖漿上升時(shí)的解壓作用造成的斜長(zhǎng)石內(nèi)部熔蝕嚴(yán)重。Viccaroetal. (2012)研究顯示解壓速率不同產(chǎn)生不同的篩狀結(jié)構(gòu)，粗篩結(jié)構(gòu)一般反映巖漿上升較慢，細(xì)篩結(jié)構(gòu)反映較快的巖漿上升速率。馬薩亞熔巖中斜長(zhǎng)石為較細(xì)的篩狀結(jié)構(gòu)，所以反映了較快的巖漿上升速率。

7.2 鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石晶體來(lái)源討論

康塞普西和馬德拉斯火山樣品中存在鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，在顯微鏡下和背散射圖中界限清晰，成分變化ΔAn≥20。一般ΔAn≥20并伴有不平衡結(jié)構(gòu)時(shí)反映了巖漿系統(tǒng)發(fā)了重要的物理和化學(xué)特征的變化(Davidson and Tepley Ⅲ, 1997; Nicotraetal., 2014; Singeretal., 1995; Streck, 2008)。斜長(zhǎng)石成分主要受巖漿成分、溫度和水逸度的影響，而受壓力變化影響較小(Almeev and Ariskin, 1996; Ariskinetal., 1993; Housh and Luhr, 1991; Pletchov and Gerya, 1998; Langeetal., 2009; Putirka, 2005)。所以，樣品中如此大的成分變化應(yīng)該與巖漿成分變化有關(guān)。

本次研究中發(fā)現(xiàn)康塞普西和馬德拉斯火山熔巖樣品中除了粗安巖(樣品號(hào)6-1)外斜長(zhǎng)石斑晶CSD曲線呈現(xiàn)上凹形(圖8)。在巖漿穩(wěn)定狀態(tài)下，晶體群體密度的自然對(duì)數(shù)與晶體長(zhǎng)度呈直線性的關(guān)系，而在非穩(wěn)定狀態(tài)下在CSD曲線上會(huì)有一定的變化反映(Higgins, 2006; Higgins and Roberge, 2007)。Higgins and Roberge (2007)總結(jié)了影響CSD曲線形狀的過(guò)程，這種上凹形的CSD曲線應(yīng)該與巖漿混合作用有關(guān)。

鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石在自然界少見(jiàn)，主要產(chǎn)于島弧或活動(dòng)大陸邊緣的深成堆晶輝長(zhǎng)巖中，可作為活動(dòng)大陸邊緣的標(biāo)志性礦物(周新民等, 1994; Beard, 1986; Beard and Borgia, 1989; Wilson, 1989)?？等瘴骱婉R德拉斯火山樣品中的鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石可能是來(lái)自捕獲的堆晶輝長(zhǎng)巖中的鈣長(zhǎng)石。捕獲后處于新的巖漿環(huán)境，在邊部繼續(xù)結(jié)晶了低An值的斜長(zhǎng)石。由于采集的樣品并非同一噴發(fā)期次，捕獲的時(shí)間和程度存在不同，結(jié)晶的斜長(zhǎng)石大小不同，所以統(tǒng)計(jì)的斜長(zhǎng)石CSD曲線的斜率和截距不同。在CSD圖中小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的斜長(zhǎng)石斑晶CSD曲線呈線性關(guān)系(圖8)，說(shuō)明其結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)定的巖漿環(huán)境下。樣品6-1中并未觀察到鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，電子探針測(cè)試也未測(cè)試到，所以CSD曲線呈線性關(guān)系。如果假設(shè)合理的生長(zhǎng)速率，生長(zhǎng)邊的寬度可以用來(lái)估算鈣長(zhǎng)石混入的時(shí)間。測(cè)量具有鈣長(zhǎng)石晶體的生長(zhǎng)邊從幾十到220μm不等，一般大約100μm。對(duì)于玄武質(zhì)巖漿，斜長(zhǎng)石生長(zhǎng)速率為10-9～10-10mm/s，安山質(zhì)巖漿一般10-10mm/s(Cashman, 1990; Higgins, 1996)，在增加過(guò)冷度時(shí)生長(zhǎng)速率會(huì)增加(10-7～10-8mm/s; Cashman, 1990)。在本次研究中基性斜長(zhǎng)石混入更為演化的溫度更低的巖漿中，造成過(guò)冷度增加，所以按10-7～10-8mm/s計(jì)算，那么最長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間約25.5天～8.5個(gè)月，一般在2周到4個(gè)月左右。

8 結(jié)論

尼加拉瓜康塞普西、馬德拉斯和馬薩亞三座火山顯示了典型的島弧火山巖特征，巖漿來(lái)自受到科科斯板塊流體交代的MORB型虧損地幔的部分熔融。

康塞普西和馬德拉斯火山巖漿成分相似，范圍很大，從玄武質(zhì)演化到了粗安質(zhì)。它們的稀土和微量元素標(biāo)準(zhǔn)化曲線相似，Sr-Nd-Pb同位素比值接近。兩個(gè)火山熔巖的巖相學(xué)特征相近，在中、基性巖中均含有鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，推測(cè)為捕獲的堆晶輝長(zhǎng)巖，鈣長(zhǎng)石的混入導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)的斜長(zhǎng)石斑晶CSD曲線呈上凹形。計(jì)算它們的巖漿平衡溫度和壓力與巖漿SiO2成分呈負(fù)相關(guān)，巖漿平衡溫度1039～1138℃，平衡壓力1.8～9.7kbar，對(duì)應(yīng)巖漿深度6.6～35.4km。

馬薩亞火山樣品均為玄武巖，其全巖和斑晶內(nèi)的FeO含量明顯比康塞普西和馬德拉斯火山中的FeO含量高，未見(jiàn)鈣長(zhǎng)石質(zhì)斜長(zhǎng)石，其輕稀土元素含量低，Nb和Ta強(qiáng)烈負(fù)異常，87Sr/86Sr同位素比值略高于其他兩座火山，源區(qū)部分熔融程度更高。

致謝感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所電子探針實(shí)驗(yàn)室的戎合老師在電子探針?lè)治鲞^(guò)程中的熱情支持和幫助。衷心感謝審稿人對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)和建議。