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郭瑞,Sept. 2, 2022
Andagua Valley 地质背景—主、微量元素，Sr-Nd同位素，U系不平衡研究
汇报人：吕炜昕
解读人：郭瑞
中央火山区CVZ位于安第斯山脉科迪勒拉地区与纳斯卡板块俯冲有关的火山活动的中部，安达瓜山谷熔岩区位于CVZ的最北端（图1），火山岩年轻（更新世至近代），有很多小火山中心，形成广泛的熔岩区，由于它们喷发出的lavas化学演化程度低于主要的层状火山，因此地壳深部岩浆分异的特征(如高Sr/Y)在浅部没有太多的停滞和改变，得到了更好的保存，可能会揭示更多关于深部地壳岩浆起源的信息。本次吕炜昕师姐的报告重点集中在安达瓜地区及采样火山单元的岩相学、主微量、Sr-Nd同位素特征三个方面。
图 1. 安达瓜山谷熔岩区
安达瓜熔岩大部分可归为粗面安山岩，并可进一步分为钠质系列和钾质系列，同时还发现少量钠质玄武岩粗面安山岩和粗面岩。一般都是隐晶质的，具有粗面结构，斑晶是比较小的微晶，大概0-2%，主要是他形至半自形单斜辉石和他形至半自形斜长石。 (a) 近乎隐晶质，具有骨架状橄榄石斑晶，位于玻璃质基质中，条状长石定义了粗面结构，橄榄石出现在少数样品中，为半自形-自形的微斑晶，裂缝中含有不同数量的伊丁石，以及骨架状的漏斗型微斑晶。 (b) 半自形-自形斜长石(白色)和角闪石斑晶(深灰色)位于粗面岩基质中。（c）典型筛状结构的圆形长石斑晶。基质由隐晶物质、斜长石微晶和1-2%的氧化物组成。（d）被单斜辉石包围的石英捕掳晶。
图 2. 安达瓜熔岩
安达瓜熔岩的二氧化硅含量为55-64wt.%和60-64wt.%，二氧化硅与CaO、TiO2、Fe2O3(总)、MnO和MgO呈负相关，而K2O和Na2O与SiO2呈正相关。粗面安山岩钠质系列和钾质系列的主要区别在于Na2O的含量，而在钾质样品中，Al2O3与SiO2呈正相关，P2O5含量一般较低，与二氧化硅没有明显的相关性。而钠质呈Al2O3与SiO2负相关，P2O5含量较高，有正相关趋势。
图 3. 安达瓜熔岩主量元素图
在岩浆演化过程中，HFSE（Nb、Th和Zr）LREE（Ce、Nd和La）和LIL（Ba、Rb和Pb）元素表现得不相容，Rb富集了大约4-5倍，而过渡金属（Cu、Zn、V、Ni和Cr）、Ga和Sr表现得相容。Y和Sc通常与Rb不相关，这些样品具有典型的CVZ特征，如原始地幔归一化蛛网图中的负Nb异常，具有高LILE/HFSE和LILE/LREE，具有较高的Sr/Y，类似埃达克岩特征。
火山单元在组成上有很大的差异，可能与岩浆作用相关，而在分离结晶过程中，两种非常不相容的元素之间的比率不会发生巨大变化。然而，在图4中，随着Rb浓度的增加，样品K/Rb比值下降。另外，碱性长石和角闪石的分离结晶也可以得到观察到的趋势。但是在安第斯的岩石中，碱长石通常以比安达瓜岩石中看到的更高的二氧化硅结晶，在主要趋势样品中没有观察到角闪石。因此，分离结晶本身可能不是产生整体地球化学变化的主导过程。
然而，在一些火山单元内的微小变化可能可以用分离结晶来解释。比如对于主要趋势的样品。在图4中，将每个单元最原始（最低Rb）的样品连接起来是整体的演化。火山单元内的变化可以被模拟为从连接每个单元最原始（最低Rb）的线延伸出去（图4），Rb升高，Sr升高，表明Sr和Rb在这些单元的分异过程中不相容。单元内Sr和Rb浓度的增加大约为7%，可由单斜辉石的分离结晶来解释，单斜辉石是在近隐晶质样品中最常出现的斑晶，Rb和Sr在单斜辉石中不相容。因此，主要趋势样本可能分两个阶段演化。第一个过程负责造成Rb增加和Sr浓度减少的初级变化，随后的组内二次分异过程导致Sr浓度升高。
图 4.
利用87Sr/86Sr与Sr浓度的关系图来评估AFC的影响（图5）。选择片麻岩作为混染端元。样品Kd/Sr主要落在2-3之间，表明混染不是发生在上地壳。下地壳，斜长石不稳定，Sr与87Sr/86Sr应该有一个正相关的关系，而图中不存在。因此排除AFC过程。而在二元混合过程中，样品接近混合曲线，略微偏移可能与岩浆后期的分异有关。而且在安达瓜样本中还发现了一些岩石学证据，含角闪石的样品中以圆形和筛状结构存在的长石，因此Andagua熔岩的岩石学和地球化学研究表明最年轻熔岩中观察到的成分变化是成分不同的母岩浆之间的二元混合，以及随后在深部地壳中的分离结晶导致的。
图 5.AFC过程
图 6.二元混合过程
与大洋弧和大陆边缘火山岩U系不平衡相比，大多数安达瓜河谷熔岩在图中位于第一象限，表明有226Ra、230Th和231Pa的过量。年轻样品与SiO2之间有很好的相关性。(230Th)/ (238U)和(231Pa)/(235U)与SiO2正相关(226Ra)/(230Th)与SiO2呈负相关。
3个样品U/Th变化较大，SiO2含量(>60 wt.%)，可能与岩浆分异有关。与其他安达瓜样品相比，121-130号样品是唯一有230Th亏损的样品，（230Th）/（238U）和Ce含量较低，可以解释为褐帘石作为一种副矿物分离结晶，优先从演化程度较高的岩浆中去除Th和Ce(相对于U)。
图 7.U系不平衡
综上，安达瓜河谷的小火山中心熔岩的形成可能是这样的一个过程（图8）。对流的交代弧下地幔的部分熔融产生了含水玄武质熔体，它上升到MOHO附近的MASH区，深度约为70公里。在典型的成层火山中，幔源岩浆可能在MASH带和到地表喷发的过程中可能经历了显著的分化。而一些小型火山喷发的熔岩，比如安达瓜河谷的小火山中心，岩浆穿过地壳上升，在地壳中上层的岩浆房中没有太多的停滞，可能保留了地壳深部岩浆混合特征。U系不平衡表明，较年轻的镁铁质岩浆与较早侵位玄武岩的长英质熔体混合在一起。从混合到岩浆上升和最终喷发的时间尺度应该在几千年之内。（226Ra过剩）
图 8. 安达瓜河谷火山中心熔岩形成过程
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