印度尼西亚多巴酸性超级火山喷发的物质来源和成因机制研究

This project chooses Toba volcano in Sunda arc of Sumatra, Indonesia as our studying object. We analyze in situ Sr and/or Nd isotopes of plagioclase, allanite and apatite, in situ Hf-O isotopes of zircon, and major elements and volatiles of melt inclusions enclosed in minerals of every eruption. Our aim is to study the sources and spatial-temporal evolution of the Toba silicic volcanic system, to reveal the role of fluids in the formation of such silicic volcanic system and super-eruptions, and to provide new insights into the unique Toba volcano in Sunda arc. In the meanwhile, our study will enrich the theory of arc magmatism in subduction zones and the mechanism of crustal growth. Further, comparison will be made with other large silicic volcanism in subduction zones to shed light on 1) the commonness and regularity of arc-related silicic magmatism and super-eruptions; 2) its constraints on the spatial-temporal evolution of subduction zone magmatism and formation-extinction of subduction zone.

项目以印度尼西亚苏门答腊岛巽他弧上的多巴火山为研究对象，分析不同喷发期次火山岩里斜长石、褐帘石、磷灰石的原位Sr和/或Nd同位素、锆石Hf-O同位素和单矿物熔体包裹体的主量成分和挥发分，深入研究多巴酸性岩浆体系的物质来源和时空演化，探讨流体在酸性岩浆体系形成和超级喷发过程中的作用，对多巴火山大量酸性岩浆和超级喷发的成因给出合理解释。同时，完善俯冲带的岩浆作用过程和地壳增生机制理论，通过和其它俯冲带上酸性岩浆作用的对比，揭示弧环境酸性岩浆的形成和超级火山喷发的共性和规律，探索酸性弧岩浆对俯冲带岩浆体系时空演化及其形成-消亡过程的制约。

印度尼西亚多巴破火山口形成目前世界上最大的火山口湖，其产生于第四纪以来的四次火山喷发，其中有两次是超级喷发，包括一次第四纪最大的火山喷发。然而，由于印尼本土科研实力相对落后，其地区偏远不易到达且当地官方语言并非英语，导致其研究工作仍存在很多空白。例如，由于多巴火山喷发过于年轻（<1 Ma）, 其年龄通常由Ar-Ar方法获得。然而Ar-Ar年龄的封闭温度较低，只能反应火山喷发的时间，无法记录火山喷发之前的岩浆房过程。. 本项目的主要研究内容包括：1）对多巴火山四次喷发的锆石进行离子探针U-Pb定年；2）对斜长石、磷灰石、褐帘石进行原位Sr、Nd同位素分析，对全岩进行Sr-Nd同位素分析，以确定地幔源区的成分特点；3）通过对石英里玻璃质熔体包裹体的挥发分分析，探讨流体在酸性弧岩浆和超级喷发形成过程中的重要作用。. 所取得的重要结果包括：1）多巴火山超级喷发是在持续（>600 ka）而稳定的岩浆注入下达到热成熟而喷发；2）多巴火山的地幔源区由大量俯冲陆源碎屑沉积物加入，导致原始玄武质岩浆具有富集的Sr-Nd同位素组成；3）多巴火山流纹岩主要是幔源玄武质岩浆在下地壳和上地壳深度经过两阶段分离结晶形成。. 关键数据包括，本项目首次通过离子探针分析了不同喷发期次锆石的年龄及其分布范围，首次分析了大量单矿物原位的Sr和Nd同位素，首次对多巴火山附近玄武岩和安山岩中的继承锆石年龄及其Hf-O同位素进行了分析。 . 本项目的重要科学意义包括：限定了多巴超级火山喷发之前岩浆房里长时间的岩浆活动，并且证明超级喷发是由于岩浆房缓慢的热成熟，并非短时间内大量岩浆注入导致其喷发。证明了俯冲带大量的酸性岩浆从本质上来源于幔源玄武质岩浆的结晶分异。