在沙特阿拉伯哈拉特拉哈特（Harrat Rahat）地区发现的异质浮石中，记录了岩浆与地壳相互作用的证据

本研究分析沙特拉哈特地区Quaternary喷发序列中的异核云石，发现其化学和矿物学特征与阿拉伯盾上 crust的花岗岩或变质沉积岩一致。氧同位素分析（δ1?O=9.8–12.5‰）和矿物学证据（如板状斜长石、黑云母）表明异核云石为 crustal xenoliths，在岩浆上升过程中经历部分熔融和短时同化，但未显著改变主岩浆化学组成。首次揭示拉哈特地区岩浆- crust相互作用，支持地壳混染对火山产物的影响。

　　
沙特阿拉伯拉哈特火山（Harrat Rahat）中晶簇浮石（xenopumice）的发现及其地质意义分析

一、研究背景与问题提出
拉哈特火山作为阿拉伯盾牌（Arabian Shield）北缘的重要火山区，其火山活动具有复杂的地质背景。该区域历史上曾发生多次火山喷发，但传统观点认为其岩浆系统主要由地幔熔融形成，与 crustal interaction（ crustal 吸收）关联性较低。然而，2021年采集的火山岩样品中发现了特殊的晶簇浮石现象，这引发了关于岩浆与 crustal 互作机制的新讨论。

二、晶簇浮石（xenopumice）的识别与特征
1. **定义与鉴别**：晶簇浮石是火山喷发物中一类具有特殊结构的 xenolith（晶屑）。其形成机制不同于普通浮石，表现为：
- 高度多孔结构（孔隙率50-80%）
- 硅质玻璃基质占比达70-95%
- 包含三个矿物学亚区：
* I区：硅质为主，含石英和长石晶体
* II区：暗色条带状结构（含斜长石、单斜晶闪石和尖晶石）
* III区：少量基性玻璃与矿物
- 氧同位素特征显著偏离宿主岩浆（δ1?O达9.8-12.5‰，宿主岩浆为5.1-6.0‰）

2. **空间分布**：
- 集中出现在拉哈特火山北部的两个火山锥（Cone A和B）
- 控制 cones 体积分别为0.13-0.7 km3
- 与晚更新世（1256年）等历史喷发密切相关

三、分析技术与数据特征
研究团队采用多学科分析方法：
1. **矿物学研究**：
- 电子探针（EMP）分析显示长石（Na/K-rich）和石英晶体（0.05-0.2 mm）
- 扫描电镜（SEM）观察到波状边界矿物（典型变质岩特征）
- 能量色散X射线（EDS）检测到暗色条带中的尖晶石（Mg-Fe-Cr）和钛铁矿

2. **地球化学分析**：
- X射线荧光（XRF）测定全岩主元素（SiO? 46-54%）
- 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析微量元素：
* 富集大离子亲石元素（LILE）如Ba、Th、U
* 重稀土元素（HREE）与轻稀土元素（LREE）比值异常
- 氧同位素分析（MAT253质谱）显示：
* 宿主岩浆 δ1?O 5.1-6.0‰
* 晶簇浮石 δ1?O 9.8-12.5‰
* 与区域花岗岩（8.3-9.8‰）高度一致

四、关键发现与地质解释
1. **晶簇浮石源区论证**：
- **矿物学证据**：长石晶体波状边界的存在（变质温度1200-1300℃）指向区域花岗岩（如Raghiyah Suite）的变质过程
- **地球化学匹配**：
* 主元素：与阿拉伯盾牌北缘的花岗岩（SiO? 70-75%）高度吻合
* 微量元素：显示负Nb/Sr/Ti异常，与S型花岗岩特征一致
* 同位素特征：δ1?O值与区域花岗岩（8.3-9.8‰）匹配度达95%

2. **岩浆- crustal 互作机制**：
- **时空关系**：晶簇浮石多发现于火山锥近侧（<20 km），而区域花岗岩侵入体位于火山场基底（<10 km深度）
- **同位素分馏模型**：
* 宿主玄武岩（δ1?O 5.1‰）与晶簇浮石（δ1?O 12.5‰）混合比例计算显示：
* 完全熔融需>20%晶簇浮石
* 实际样品中晶簇浮石占比仅3-10%
* 表明存在间歇性接触与选择性熔融
- **矿物反应证据**：
* 宿主岩浆中斜长石（An 58-66.9）与晶簇浮石长石（An 51-56.3）成分重叠
* 但未发现明显熔融反应结构，暗示短时接触（<1年）

3. **火山活动序列影响**：
- **拉哈特火山分异**：
* 早期（30-20 Ma）以拉基特岩为主，显示典型地幔分异特征
* 晚期（14-0 Ma）碱性玄武岩占比增加，可能与 crustal assimilation 相关
- **晶簇浮石分布规律**：
* 爆发性火山锥（如Cone B）更易捕获晶簇浮石
* 与成岩同期（晚元古代，580-630 Ma）的花岗岩侵入体时空对应

五、对区域火山学的启示
1. **岩浆系统复杂性**：
- 宿主岩浆并非纯地幔成因，而是经历：
* 初次接触：晶簇浮石熔融（<10%混入）
* 二次分异：挥发物释放导致岩浆密度变化
- 实例： cones A/B的浮石含量（3-10%）与δ1?O值（9.8-12.5‰）显示阶段性 assimilation

2. **爆炸性起源新证据**：
- 晶簇浮石中挥发物富集（挥发物释放量计算达1.2-2.5 wt%）
- 残留晶簇浮石（如Cone B的HRM-4-16×）显示：
* 大型气泡（>1 cm）与石英包晶结构
* 玻璃熔体中包裹晶簇浮石矿物（长石晶体尺寸达2 mm）

3. ** crustal assimilation 的时间尺度**：
- 岩浆停滞时间估算（基于石英包晶生长速率）：
* 完全熔融：需>1年（但区域火山活动周期仅数十年）
* 部分熔融：接触时间<3个月
- 实际样品显示：
* 60%以上晶簇浮石为未完全熔融状态
* 宿主岩浆中仅检测到3-10% crustal assimilation

六、对区域地质模型的修正
1. **地幔源区再定义**：
- 原地幔分异模型需加入 crustal assimilation 参数
- 调整后地幔源区模型：
* 基底熔融贡献占比从5%提升至15%
* 碱性组分（Na/K）提升幅度达30%

2. **火山活动分期新观点**：
- 1256年历史喷发前存在岩浆储存期（数十年）
- 储存期间经历：
* 初期接触（<1年）：晶簇浮石部分熔融
* 后期停滞（>1年）：残留晶簇浮石发生变质重结晶

3. ** crustal interaction 热力学限制**：
- 温度窗口（1150-1250℃）对应：
* 长石稳定性区间
* 尖晶石-钛铁矿共生带
- 压力条件（8-12 kbar）与区域地壳结构匹配

七、工程应用与灾害评估
1. **火山 hazard 评估修正**：
- 晶簇浮石含量与爆炸强度存在非线性关系：
* 3-10%混入：爆炸能量提升15-25%
* >20%混入：可能触发火山灰云
- 实际观测中，晶簇浮石含量普遍低于5%

2. **城市安全规划建议**：
- 拉哈特火山周边（<50 km）居民点需考虑：
* 短时停滞岩浆（<1年）的潜在喷发
* 晶簇浮石携带的变质矿物（如尖晶石）可能造成岩浆管道堵塞
- 建议建立 crustal assimilation 累计量监测系统

八、研究局限与未来方向
1. **数据缺口**：
- 缺乏完整 crustal xenolith 系列样本（仅晶簇浮石）
- 未检测到典型 crustal xenolith（如石英岩、片麻岩）

2. **技术改进建议**：
- 引入原位激光烧蚀（LA-ICP-MS）分析晶簇浮石与岩浆接触面
- 开发晶簇浮石相（xenopumice phase）定量评估模型

3. **区域扩展研究**：
- 需在拉哈特火山其他火山锥（如Cone D）开展类似调查
- 建议对比研究阿勒萨德火山（Harrat Al-Saud）的类似现象

本研究通过晶簇浮石的发现，揭示了阿拉伯盾牌北缘火山活动的复杂机制。首次证实该区域存在 crustal assimilation 过程，并建立了矿物学-地球化学-同位素联立判别模型（矿物波状边界+δ1?O >9.5‰+LILE富集）。研究结果修正了传统认为的"纯地幔成因"模型，为类似 intraplate 火山区的灾害评估提供了新参数体系。后续研究应着重于建立晶簇浮石相定量评估模型，以及地壳深部结构的三维关联分析。