坦博拉火山大喷发之谜——来自西藏榴辉岩的新启示*

刘焰，苑婷媛，伍连东

中国地质科学院地质研究所，北京 100037

坦博拉火山大喷发之谜
——来自西藏榴辉岩的新启示*

刘焰†，苑婷媛，伍连东

中国地质科学院地质研究所，北京 100037

西藏松多榴辉岩系典型的古洋壳俯冲产物。通过岩相学观察与热力学计算，证实了西藏古洋壳俯冲时经历了还原反应，俯冲洋壳中Fe3+和S6+等物质被还原成Fe2+和S2-，在俯冲通道内释放出富含CO2和H2S的流体。后者因密度低，从俯冲通道上升至岛弧火山之下的岩浆房中，最终通过火山喷发的方式排放至大气圈。因此认为，深俯冲的印度洋洋壳在地球深部也经历了相似的还原反应，将俯冲洋壳表层的硫酸盐转变为含硫流体，再通过坦博拉火山喷发的方式释放出来。现今洋壳持续俯冲，地球深部的还原反应持续进行，新生成的含硫流体正源源不断地汇聚于岛弧火山之下的岩浆房之中，因此，未来坦博拉式火山爆发是大概率事件。

坦博拉火山；地球内部构造运动；西藏榴辉岩；气候变化

200年前，北半球气候极为反常，许多地区夏季气温突然降到零度之下，这就是欧洲人所言的“无夏之年”，中国人则用“六月飞雪”描述它。极为恶劣的气候导致大量农作物被冻死，导致随后几年饥荒在北半球蔓延[1-5]。何种因素导致了“无夏之年”的发生？未来这种对人类生存与发展威胁极大的极冷气候是否还会再次发生？这是人们比较关心的问题。现在一种广泛接受的观点认为，“无夏之年”是由于1815年爆发的坦博拉火山将巨量的含硫气溶胶快速释放到大气圈内所致[1-5]。如果这种观点是正确的，则上述问题就转化为：坦博拉火山是如何形成的？未来坦博拉式的火山能否再次爆发？

坦博拉火山位于澳大利亚与亚洲大陆之间的印度尼西亚，海拔高度2 850 m，火山口直径约7 km，深度为600～700 m，是印度尼西亚海拔较高的一座活火山(图1)。地质上，印度洋洋壳持续北向俯冲于亚洲板块之下[1,6]，俯冲洋壳在地球深部发生脱水作用之后，相变为榴辉岩。从俯冲洋壳释放出来的流体诱发了上覆地幔楔发生部分熔融作用，在亚洲板块最南缘形成了一系列岛弧火山岩，最终造就了印度尼西亚群岛[1,6](图1)。由于印度洋壳仍在持续北向俯冲于亚洲陆块之下，因此在印度尼西亚一带，火山喷发、地震以及地震诱发的海啸经常发生，常常导致重大人员伤亡与财产损失。例如：2004年12月发生的苏门塔腊大地震以及由该大地震引发的苏门塔腊大海啸就发生在这里。这一带广为人知的火山喷发即为1815年4月爆发的坦博拉火山喷发。这是当前人类记录到的最猛烈的一次火山喷发，当场就造成数万人员伤亡及重大财产损失，远在万里之外的南极冰盖中也发现了此次火山喷发的尘埃[1-5]。由此推测，当时火山喷发烟柱的高度非常高，至少达到了大气圈中的平流层，否则火山尘埃很难被输送到万里之外的南极洲。尽管坦博拉火山研究历史悠久[1-5]，但当前对坦博拉火山深部地质过程的理解还不够深入，特别是不清楚坦博拉火山之下巨型硫储库的形成过程。本文通过出露地表附近的西藏松多地区俯冲洋壳的案例研究，试图从另一角度重新审视这些问题。

1 西藏松多榴辉岩特征

当前认为青藏高原系古、新特提斯大洋相继闭合，印度陆块持续与亚洲陆块汇聚的产物(图1)。在西藏松多地区发现了古洋壳俯冲脱水之后的岩石学记录——榴辉岩[7]，是探索俯冲洋壳深部地质过程的珍贵样品。西藏松多榴辉岩，常被碳酸岩脉侵入(图2)。岩石主要包括红色的石榴石、深灰色的霓辉石-绿辉石和浅色的石英，以及次要矿物，如金红石、绿帘石族矿物、多硅白云母、贫铁的阳起石、绿泥石、方解石、黄铁矿等矿物。

背散射电子图像和X射线面成分扫描图(图3)清晰地表明西藏榴辉岩中石榴子石具有特征的成分环带，晚期富含铁铝榴石组分的石榴子石沿裂隙或边缘交代早期石榴子石，充分反映该榴辉岩遭受了流体的交代作用。精细的岩相学观察进一步揭示出早期石榴石核部含有大量的包体，如含Fe3+的冻蓝闪石、石膏、含Fe3+的霓辉石、金红石、石英等矿物。贫铁的绿辉石却含有富Fe3+霓辉石的包体(图4)。在榴辉岩基质中，可见方解石围绕石榴子石生长(图4)，还可见黄铁矿等新生矿物，未见石膏、含Fe3+的冻蓝闪石和霓辉石等矿物。由此，可将榴辉岩矿物组合分为三期(表1)。早期矿物多富含Fe3+的矿物，如冻蓝闪石、霓辉石、绿帘石等矿物，以及含S6+的矿物，如石膏。晚期矿物则以富含Fe2+和S2-的矿物为主，如黄铁矿、铁铝榴石等矿物，贫Fe3+的矿物，如阳起石、绿辉石、黝帘石等矿物(表1)。这充分反映岩石遭受了还原反应，早期富含Fe3+和S6+的矿物转变为富含Fe2+和S2-等物质的矿物。

图1 印度洋洋壳沿红线俯冲于亚洲板块之下，在亚洲板块南缘形成了印度尼西亚群岛——这是印度尼西亚地区常发生火山喷发、地震的主要因素

图2 西藏松多榴辉岩(含红色与深色矿物者)被碳酸岩脉(浅色者)侵位

2 深部地质过程的半定量模拟

前人在压强(P)-温度(T)构成的二维空间内开展了(半)定量模拟与计算工作，取得了丰富的成果，深化了人们对俯冲洋壳深部地质过程的认识。由于压强(P)和温度(T)这两个变量不适合定量描述体系的氧化还原反应过程，因此对经历了还原反应过程的岩石，前人还缺乏(半)定量的研究手段。氧逸度(fO2)是传统描述体系氧化学势能及其变化的重要变量，深刻影响着矿物相及其组合的稳定范围，是一个理想的描述体系氧化还原反应过程的变量，因此本文直接引入氧逸度这个热力学变量，在P-T- fO2定义的三维空间里，与压强(P)、温度(T)共同半定量描述经历还原反应的俯冲洋壳的深部地质过程。本文采用的计算程序是Perple_X计算程序[8]，该程序的原理是采用线性规划的方法寻求吉布斯自由能最低的矿物组合，因为这种组合才是经典热力学意义上的稳定组合。模拟体系为K2O-Na2O-CaO-MgO-FeO-MnOAl2O3-TiO2-SiO2-H2O，温度、压强与氧逸度的计算范围为P=18～28 kbar，T=550～650 ℃，lg fO2=-11～-25。采用内部一致性热力学数据库[9]、改进的 Redlich-Kwong 方程式[10]和当前最优的矿物固溶体活度模型[11-13]进行模拟计算工作。

图3 背散射电子图像(a)和X射线面成分扫描图(b)～(d)：(a)高亮者为富含铁铝榴石组分的石榴子石；(b)～(d)沿裂隙交代早期相对富镁贫铁的石榴子石

图4 背散射电子图像示意霓辉石(Aeg)呈包体产出于绿辉石和石榴子石变斑晶内(基质中方解石包裹交代的石榴子石，Act为阳起石，沿裂隙交代早期的绿辉石)

表1 西藏榴辉岩变质阶段矿物组合特征

有效全岩成分对于半定量模拟工作至关重要。前已指出，松多榴辉岩经历了还原反应，因此不同变质阶段有效全岩成分的差异很可能比较大，是开放体系。本文首先厘定各个变质阶段的有效全岩成分。前已指出，第一阶段的矿物多呈包体残留于石榴子石、绿辉石等矿物内，几乎不产出于岩石基质之中，因此只了解该组合的矿物成分，但不知其具体的体积百分含量。本文不得不假定早期矿物的体积百分含量，再与矿物成分之乘积之和，人为构造有效全岩成分。为了保证有效全岩成分尽可能接近真实值，还须满足如下条件：①由于本文模拟俯冲洋壳的深部过程，因此该有效全岩成分应与玄武岩成分相似，且水的含量应该介于1%～3%之间，矿物体积百分含量之和应为1；②模拟计算之后，应能完全再现早期矿物组合特征，如果不能做到此点，则须重新选择新的有效全岩成分。为进一步探讨不同矿物体积百分含量对最终模拟结果的影响程度，本文选取两组差异较大的有效全岩成分，分别开展模拟计算工作。第一组有效成分及其质量分数为SiO2：50.77%，TiO2：1.07%，Al2O3：12.16%，FeO：13.52%，MnO：0.17%，MgO：5.2%，CaO：12.13%，Na2O：2.5%，K2O：0.96%。矿物相及其体积分数(括号内数字)为石榴子石(0.20)、绿帘石(0.14)、霓辉石(0.42)、硬柱石(0.02)、石英(0.10)、金红石(0.01)、多硅白云母(0.09)和磁铁矿(0.02)。另一组成分为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%。矿物相及其体积分数(括号内数字)为石榴子石(0.20)、绿帘石(0.10)、霓辉石(0.42)、硬柱石(0.08)、石英(0.10)、金红石(0.03)、多硅白云母(0.05)和磁铁矿(0.02)。模拟结果表明，这两组差异较大的有效全岩成分却给出了非常相似的结果，表明尽管本文早期矿物体积百分含量的估计可能存在较大的不确定性，但对榴辉岩形成的温度、压强、氧逸度的最终估计结果的影响不大。第一阶段的形成条件因此为lgfO2=-12.0～-12.1，P=27.0 kbar 和 T= 614～616 ℃。第二阶段与第三阶段的有效全岩成分采用榴辉岩的全岩成分，获得的形成条件分别为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 ℃。

模拟结果表明：从早期至晚期，榴辉岩变质温度的变化极小，变化幅度不到10 ℃；压强的变化稍大，可达5.5 kbar；变化最大的是氧逸度，第一阶段与第三阶段的氧逸度相差108倍，这充分反映了松多榴辉岩在地球深部经历了强还原作用。

3 讨论与结果

大量研究表明，随着深度的增加，地球内部的氧逸度逐渐下降，上地幔是以还原性流体CH4-H2为主[14-17]，由此推测俯冲带的上地幔区域也以相似的还原性流体为主。在洋中脊，由上地幔部分熔融新形成的洋壳，温度可高达1 200 ℃。新生洋壳向海沟俯冲带运移时，热的、还原性的洋壳与冷的、相对氧化的海水之间发生了化学反应，将新生洋壳转变为相对含水、氧化的蚀变洋壳[18]。海水中丰富的SO42-离子与Ca2+等阳离子结合，形成石膏等硫酸盐矿物附着于蚀变洋壳之表层。因此，在海沟俯冲带区域，携带富含Fe3+、SO42-等物质的蚀变洋壳进入到地球深部，与深部的还原性流体发生化学反应(图5)。结合前述岩相学观察，西藏松多榴辉岩很可能经历了以下还原反应：

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

(2) 8 Ca2Fe3+Al2Si3O12(OH) (绿帘石)+CH4(还原性流体)=8 Ca2Fe2+Al2Si3O12(富铁和钙的石榴子石)+6 H2O+CO2；

(3) 2 Ca2Fe3+Al2Si3O12(OH) (绿帘石)+2 (Na, Fe3+)Si2O6(霓辉石)+CaSO4(石膏)+2 CH4(还原性流体)=2 CaFe2+2Al2Si3O12(富铁和钙的石榴子石)+2 (Na, Ca1.5)Si2O6(富钙的绿辉石)+2 CO2+2 H2O+H2S。

上述还原反应将早期的绿帘石、霓辉石转变为晚期的富铁和钙的石榴子石和富钙的绿辉石，石膏则很可能转变为方解石等矿物，同时释放出大量的水、CO2和H2S(图5)。本文研究表明，硫元素完全可以通过还原反应从固相硫酸盐(如石膏)中释放出来，进入流体相，再转移进入上覆地幔楔之中(图5)。

图5 洋壳俯冲带硫、CO2和水在地球深部与表层循环的示意图(左侧为水化、氧化的洋壳及其上含硫酸盐矿物的大洋沉积物在海沟俯冲进入地球深部。在地球深部氧化的洋壳与还原性流体发生化学反应，释放出以H2O、CO2和H2S为主的流体，随后这些流体进入到俯冲带上方的地幔楔中，后被岛弧火山释放到大气圈内，其中一部分物质最终又回到洋壳表层)

现今洋壳仍持续俯冲，完全有理由相信，在地球深部上述还原反应持续进行，源源不断的水、CO2和H2S等流体正汇聚于岛弧火山下方的岩浆房内(图5)，因此未来，坦博拉式火山的大爆发是大概率事件。

致谢 成文时与苏黎士理工学院Connolly教授和Tajcmanová博士、斯图加特大学Massonne教授和Theye博士等进行了深入的讨论，促进了本文的完成。热力学计算得到苏黎士理工学院Connolly教授的帮助，在此一并表示衷心的感谢。

(2016年9月20日收稿)

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(编辑：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

*中国地质调查局工作项目(12120114057601)资助

†通信作者，E-mail: yanliu0315@126.com