劉焰，苑婷媛，伍連東

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

坦博拉火山大噴發(fā)之謎
——來自西藏榴輝巖的新啟示*

劉焰?，苑婷媛，伍連東

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

西藏松多榴輝巖系典型的古洋殼俯沖產(chǎn)物。通過巖相學(xué)觀察與熱力學(xué)計(jì)算，證實(shí)了西藏古洋殼俯沖時(shí)經(jīng)歷了還原反應(yīng)，俯沖洋殼中Fe3+和S6+等物質(zhì)被還原成Fe2+和S2-，在俯沖通道內(nèi)釋放出富含CO2和H2S的流體。后者因密度低，從俯沖通道上升至島弧火山之下的巖漿房中，最終通過火山噴發(fā)的方式排放至大氣圈。因此認(rèn)為，深俯沖的印度洋洋殼在地球深部也經(jīng)歷了相似的還原反應(yīng)，將俯沖洋殼表層的硫酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)楹蛄黧w，再通過坦博拉火山噴發(fā)的方式釋放出來?，F(xiàn)今洋殼持續(xù)俯沖，地球深部的還原反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，新生成的含硫流體正源源不斷地匯聚于島弧火山之下的巖漿房之中，因此，未來坦博拉式火山爆發(fā)是大概率事件。

坦博拉火山；地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)；西藏榴輝巖；氣候變化

200年前，北半球氣候極為反常，許多地區(qū)夏季氣溫突然降到零度之下，這就是歐洲人所言的“無夏之年”，中國(guó)人則用“六月飛雪”描述它。極為惡劣的氣候?qū)е麓罅哭r(nóng)作物被凍死，導(dǎo)致隨后幾年饑荒在北半球蔓延[1-5]。何種因素導(dǎo)致了“無夏之年”的發(fā)生？未來這種對(duì)人類生存與發(fā)展威脅極大的極冷氣候是否還會(huì)再次發(fā)生？這是人們比較關(guān)心的問題?，F(xiàn)在一種廣泛接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，“無夏之年”是由于1815年爆發(fā)的坦博拉火山將巨量的含硫氣溶膠快速釋放到大氣圈內(nèi)所致[1-5]。如果這種觀點(diǎn)是正確的，則上述問題就轉(zhuǎn)化為：坦博拉火山是如何形成的？未來坦博拉式的火山能否再次爆發(fā)？

坦博拉火山位于澳大利亞與亞洲大陸之間的印度尼西亞，海拔高度2 850 m，火山口直徑約7 km，深度為600～700 m，是印度尼西亞海拔較高的一座活火山(圖1)。地質(zhì)上，印度洋洋殼持續(xù)北向俯沖于亞洲板塊之下[1,6]，俯沖洋殼在地球深部發(fā)生脫水作用之后，相變?yōu)榱褫x巖。從俯沖洋殼釋放出來的流體誘發(fā)了上覆地幔楔發(fā)生部分熔融作用，在亞洲板塊最南緣形成了一系列島弧火山巖，最終造就了印度尼西亞群島[1,6](圖1)。由于印度洋殼仍在持續(xù)北向俯沖于亞洲陸塊之下，因此在印度尼西亞一帶，火山噴發(fā)、地震以及地震誘發(fā)的海嘯經(jīng)常發(fā)生，常常導(dǎo)致重大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。例如：2004年12月發(fā)生的蘇門塔臘大地震以及由該大地震引發(fā)的蘇門塔臘大海嘯就發(fā)生在這里。這一帶廣為人知的火山噴發(fā)即為1815年4月爆發(fā)的坦博拉火山噴發(fā)。這是當(dāng)前人類記錄到的最猛烈的一次火山噴發(fā)，當(dāng)場(chǎng)就造成數(shù)萬人員傷亡及重大財(cái)產(chǎn)損失，遠(yuǎn)在萬里之外的南極冰蓋中也發(fā)現(xiàn)了此次火山噴發(fā)的塵埃[1-5]。由此推測(cè)，當(dāng)時(shí)火山噴發(fā)煙柱的高度非常高，至少達(dá)到了大氣圈中的平流層，否則火山塵埃很難被輸送到萬里之外的南極洲。盡管坦博拉火山研究歷史悠久[1-5]，但當(dāng)前對(duì)坦博拉火山深部地質(zhì)過程的理解還不夠深入，特別是不清楚坦博拉火山之下巨型硫儲(chǔ)庫的形成過程。本文通過出露地表附近的西藏松多地區(qū)俯沖洋殼的案例研究，試圖從另一角度重新審視這些問題。

1 西藏松多榴輝巖特征

當(dāng)前認(rèn)為青藏高原系古、新特提斯大洋相繼閉合，印度陸塊持續(xù)與亞洲陸塊匯聚的產(chǎn)物(圖1)。在西藏松多地區(qū)發(fā)現(xiàn)了古洋殼俯沖脫水之后的巖石學(xué)記錄——榴輝巖[7]，是探索俯沖洋殼深部地質(zhì)過程的珍貴樣品。西藏松多榴輝巖，常被碳酸巖脈侵入(圖2)。巖石主要包括紅色的石榴石、深灰色的霓輝石-綠輝石和淺色的石英，以及次要礦物，如金紅石、綠簾石族礦物、多硅白云母、貧鐵的陽起石、綠泥石、方解石、黃鐵礦等礦物。

背散射電子圖像和X射線面成分掃描圖(圖3)清晰地表明西藏榴輝巖中石榴子石具有特征的成分環(huán)帶，晚期富含鐵鋁榴石組分的石榴子石沿裂隙或邊緣交代早期石榴子石，充分反映該榴輝巖遭受了流體的交代作用。精細(xì)的巖相學(xué)觀察進(jìn)一步揭示出早期石榴石核部含有大量的包體，如含F(xiàn)e3+的凍藍(lán)閃石、石膏、含F(xiàn)e3+的霓輝石、金紅石、石英等礦物。貧鐵的綠輝石卻含有富Fe3+霓輝石的包體(圖4)。在榴輝巖基質(zhì)中，可見方解石圍繞石榴子石生長(zhǎng)(圖4)，還可見黃鐵礦等新生礦物，未見石膏、含F(xiàn)e3+的凍藍(lán)閃石和霓輝石等礦物。由此，可將榴輝巖礦物組合分為三期(表1)。早期礦物多富含F(xiàn)e3+的礦物，如凍藍(lán)閃石、霓輝石、綠簾石等礦物，以及含S6+的礦物，如石膏。晚期礦物則以富含F(xiàn)e2+和S2-的礦物為主，如黃鐵礦、鐵鋁榴石等礦物，貧Fe3+的礦物，如陽起石、綠輝石、黝簾石等礦物(表1)。這充分反映巖石遭受了還原反應(yīng)，早期富含F(xiàn)e3+和S6+的礦物轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓現(xiàn)e2+和S2-等物質(zhì)的礦物。

圖1 印度洋洋殼沿紅線俯沖于亞洲板塊之下，在亞洲板塊南緣形成了印度尼西亞群島——這是印度尼西亞地區(qū)常發(fā)生火山噴發(fā)、地震的主要因素

圖2 西藏松多榴輝巖(含紅色與深色礦物者)被碳酸巖脈(淺色者)侵位

2 深部地質(zhì)過程的半定量模擬

前人在壓強(qiáng)(P)-溫度(T)構(gòu)成的二維空間內(nèi)開展了(半)定量模擬與計(jì)算工作，取得了豐富的成果，深化了人們對(duì)俯沖洋殼深部地質(zhì)過程的認(rèn)識(shí)。由于壓強(qiáng)(P)和溫度(T)這兩個(gè)變量不適合定量描述體系的氧化還原反應(yīng)過程，因此對(duì)經(jīng)歷了還原反應(yīng)過程的巖石，前人還缺乏(半)定量的研究手段。氧逸度(fO2)是傳統(tǒng)描述體系氧化學(xué)勢(shì)能及其變化的重要變量，深刻影響著礦物相及其組合的穩(wěn)定范圍，是一個(gè)理想的描述體系氧化還原反應(yīng)過程的變量，因此本文直接引入氧逸度這個(gè)熱力學(xué)變量，在P-T- fO2定義的三維空間里，與壓強(qiáng)(P)、溫度(T)共同半定量描述經(jīng)歷還原反應(yīng)的俯沖洋殼的深部地質(zhì)過程。本文采用的計(jì)算程序是Perple_X計(jì)算程序[8]，該程序的原理是采用線性規(guī)劃的方法尋求吉布斯自由能最低的礦物組合，因?yàn)檫@種組合才是經(jīng)典熱力學(xué)意義上的穩(wěn)定組合。模擬體系為K2O-Na2O-CaO-MgO-FeO-MnOAl2O3-TiO2-SiO2-H2O，溫度、壓強(qiáng)與氧逸度的計(jì)算范圍為P=18～28 kbar，T=550～650 ℃，lg fO2=-11～-25。采用內(nèi)部一致性熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫[9]、改進(jìn)的 Redlich-Kwong 方程式[10]和當(dāng)前最優(yōu)的礦物固溶體活度模型[11-13]進(jìn)行模擬計(jì)算工作。

圖3 背散射電子圖像(a)和X射線面成分掃描圖(b)～(d)：(a)高亮者為富含鐵鋁榴石組分的石榴子石；(b)～(d)沿裂隙交代早期相對(duì)富鎂貧鐵的石榴子石

圖4 背散射電子圖像示意霓輝石(Aeg)呈包體產(chǎn)出于綠輝石和石榴子石變斑晶內(nèi)(基質(zhì)中方解石包裹交代的石榴子石，Act為陽起石，沿裂隙交代早期的綠輝石)

表1 西藏榴輝巖變質(zhì)階段礦物組合特征

有效全巖成分對(duì)于半定量模擬工作至關(guān)重要。前已指出，松多榴輝巖經(jīng)歷了還原反應(yīng)，因此不同變質(zhì)階段有效全巖成分的差異很可能比較大，是開放體系。本文首先厘定各個(gè)變質(zhì)階段的有效全巖成分。前已指出，第一階段的礦物多呈包體殘留于石榴子石、綠輝石等礦物內(nèi)，幾乎不產(chǎn)出于巖石基質(zhì)之中，因此只了解該組合的礦物成分，但不知其具體的體積百分含量。本文不得不假定早期礦物的體積百分含量，再與礦物成分之乘積之和，人為構(gòu)造有效全巖成分。為了保證有效全巖成分盡可能接近真實(shí)值，還須滿足如下條件：①由于本文模擬俯沖洋殼的深部過程，因此該有效全巖成分應(yīng)與玄武巖成分相似，且水的含量應(yīng)該介于1%～3%之間，礦物體積百分含量之和應(yīng)為1；②模擬計(jì)算之后，應(yīng)能完全再現(xiàn)早期礦物組合特征，如果不能做到此點(diǎn)，則須重新選擇新的有效全巖成分。為進(jìn)一步探討不同礦物體積百分含量對(duì)最終模擬結(jié)果的影響程度，本文選取兩組差異較大的有效全巖成分，分別開展模擬計(jì)算工作。第一組有效成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為SiO2：50.77%，TiO2：1.07%，Al2O3：12.16%，F(xiàn)eO：13.52%，MnO：0.17%，MgO：5.2%，CaO：12.13%，Na2O：2.5%，K2O：0.96%。礦物相及其體積分?jǐn)?shù)(括號(hào)內(nèi)數(shù)字)為石榴子石(0.20)、綠簾石(0.14)、霓輝石(0.42)、硬柱石(0.02)、石英(0.10)、金紅石(0.01)、多硅白云母(0.09)和磁鐵礦(0.02)。另一組成分為SiO2：49.50%，TiO2：3.05%，Al2O3：9.58%， FeO：13.01%，MnO：0.17%，MgO：5.04%，CaO：10.84%，Na2O：2.49%，K2O：0.53%。礦物相及其體積分?jǐn)?shù)(括號(hào)內(nèi)數(shù)字)為石榴子石(0.20)、綠簾石(0.10)、霓輝石(0.42)、硬柱石(0.08)、石英(0.10)、金紅石(0.03)、多硅白云母(0.05)和磁鐵礦(0.02)。模擬結(jié)果表明，這兩組差異較大的有效全巖成分卻給出了非常相似的結(jié)果，表明盡管本文早期礦物體積百分含量的估計(jì)可能存在較大的不確定性，但對(duì)榴輝巖形成的溫度、壓強(qiáng)、氧逸度的最終估計(jì)結(jié)果的影響不大。第一階段的形成條件因此為lgfO2=-12.0～-12.1，P=27.0 kbar 和 T= 614～616 ℃。第二階段與第三階段的有效全巖成分采用榴輝巖的全巖成分，獲得的形成條件分別為lgfO2=-14.0，P=22.2 kbar，T=617 ℃；lgfO2=-17.5，P=21.5 kbar，T=620 ℃；lgfO2= -20，P=21.5 kbar，T=615 ℃。

模擬結(jié)果表明：從早期至晚期，榴輝巖變質(zhì)溫度的變化極小，變化幅度不到10 ℃；壓強(qiáng)的變化稍大，可達(dá)5.5 kbar；變化最大的是氧逸度，第一階段與第三階段的氧逸度相差108倍，這充分反映了松多榴輝巖在地球深部經(jīng)歷了強(qiáng)還原作用。

3 討論與結(jié)果

大量研究表明，隨著深度的增加，地球內(nèi)部的氧逸度逐漸下降，上地幔是以還原性流體CH4-H2為主[14-17]，由此推測(cè)俯沖帶的上地幔區(qū)域也以相似的還原性流體為主。在洋中脊，由上地幔部分熔融新形成的洋殼，溫度可高達(dá)1 200 ℃。新生洋殼向海溝俯沖帶運(yùn)移時(shí)，熱的、還原性的洋殼與冷的、相對(duì)氧化的海水之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，將新生洋殼轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)含水、氧化的蝕變洋殼[18]。海水中豐富的SO42-離子與Ca2+等陽離子結(jié)合，形成石膏等硫酸鹽礦物附著于蝕變洋殼之表層。因此，在海溝俯沖帶區(qū)域，攜帶富含F(xiàn)e3+、SO42-等物質(zhì)的蝕變洋殼進(jìn)入到地球深部，與深部的還原性流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(圖5)。結(jié)合前述巖相學(xué)觀察，西藏松多榴輝巖很可能經(jīng)歷了以下還原反應(yīng)：

(1) CaSO4(石膏)+CH4(還原性流體)=CaCO3(方解石)+H2S+H2O；

(2) 8 Ca2Fe3+Al2Si3O12(OH) (綠簾石)+CH4(還原性流體)=8 Ca2Fe2+Al2Si3O12(富鐵和鈣的石榴子石)+6 H2O+CO2；

(3) 2 Ca2Fe3+Al2Si3O12(OH) (綠簾石)+2 (Na, Fe3+)Si2O6(霓輝石)+CaSO4(石膏)+2 CH4(還原性流體)=2 CaFe2+2Al2Si3O12(富鐵和鈣的石榴子石)+2 (Na, Ca1.5)Si2O6(富鈣的綠輝石)+2 CO2+2 H2O+H2S。

上述還原反應(yīng)將早期的綠簾石、霓輝石轉(zhuǎn)變?yōu)橥砥诘母昏F和鈣的石榴子石和富鈣的綠輝石，石膏則很可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐鹊V物，同時(shí)釋放出大量的水、CO2和H2S(圖5)。本文研究表明，硫元素完全可以通過還原反應(yīng)從固相硫酸鹽(如石膏)中釋放出來，進(jìn)入流體相，再轉(zhuǎn)移進(jìn)入上覆地幔楔之中(圖5)。

圖5 洋殼俯沖帶硫、CO2和水在地球深部與表層循環(huán)的示意圖(左側(cè)為水化、氧化的洋殼及其上含硫酸鹽礦物的大洋沉積物在海溝俯沖進(jìn)入地球深部。在地球深部氧化的洋殼與還原性流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出以H2O、CO2和H2S為主的流體，隨后這些流體進(jìn)入到俯沖帶上方的地幔楔中，后被島弧火山釋放到大氣圈內(nèi)，其中一部分物質(zhì)最終又回到洋殼表層)

現(xiàn)今洋殼仍持續(xù)俯沖，完全有理由相信，在地球深部上述還原反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，源源不斷的水、CO2和H2S等流體正匯聚于島弧火山下方的巖漿房?jī)?nèi)(圖5)，因此未來，坦博拉式火山的大爆發(fā)是大概率事件。

致謝 成文時(shí)與蘇黎士理工學(xué)院Connolly教授和Tajcmanová博士、斯圖加特大學(xué)Massonne教授和Theye博士等進(jìn)行了深入的討論，促進(jìn)了本文的完成。熱力學(xué)計(jì)算得到蘇黎士理工學(xué)院Connolly教授的幫助，在此一并表示衷心的感謝。

(2016年9月20日收稿)

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(編輯：沈美芳)

A great eruption of Tambora mystery: Insights from the Tibetan eclogites

LIU Yan, YUAN Tingyuan, WU Liandong
Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China

Songduo eclogites within the Tibetan regions are typical products of subduction of ancient oceanic crust, and thus studied in details in this paper. Petrographic observations and thermodynamic calculation confirm that the Songduo eclogites have experienced reduction reaction during the oceanic subdution. Fe3+and S6+were reduced to Fe2+and S2-, respectively, releasing the fluids enriched in CO2and H2S in the subduction channel. The CO2and H2S-rich fluids were subsequently transferred into the overlying mantle wedge, and partially released into the atmosphere through the arc volcanoes. Therefore, it is regarded that the currently deep subduction of India oceanic crust experienced similar reduction reactions in deep earth. The sulfur is liberated from the buried surface sulphates into the sulfur-bearing fluids, and released into the atmosphere through the Tambora-like volcanoes. Today, the oceanic subduction and reduction reactions continued, and then, the newly-formed sulfur-bearing fluids continuously sunk in the magma chambers beneath the island arc volcanoes. Therefore, the tambora-like volcanic eruption is a high probability event happening in the near future.

Tambora volcano, tectonic movement, Tibetan eclogite, climate change

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.06.006

*中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目(12120114057601)資助

?通信作者，E-mail: yanliu0315@126.com