日本东北部Adatara火山的岩浆-热液系统的性质与演化：对这座活成层火山中火山-热液喷发源的制约因素

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Nature and evolution of the magmatic-hydrothermal system at Adatara Volcano, NE Japan: Constraints on the sources of volcanic-hydrothermal eruptions in an active stratovolcano

火山热液系统演化及蚀变相带特征研究，揭示Adatara火山不同海拔（1240-1440masl）形成四类蚀变相带（蒸汽热液蚀变、热液碎屑岩、火山口围岩蚀变、埋藏蚀变柱），通过矿物组合（石英-黄铁矿-方沸石-黏土矿物）与同位素年代学分析，确定50ka后热液系统随地下水表下降向火山口迁移，为活火山热液活动与金属矿床形成机制提供新证据。

　　

今村卓史|安东尼奥·阿里巴斯|片冈京子|長橋良隆|安德烈亚·阿甘吉

山形大学理学部，日本山形县小尻川町1-4-12，邮编990-8560

摘要

通过野外测绘、全岩分析（XRD、XRF和ICP-AES）以及显微观察，阐明了在Adatara火山形成广泛蚀变作用的岩浆-热液系统的性质和演化过程。更新世时期的火山岩经历了广泛的蚀变，形成了以粘土和二氧化硅矿物为主的岩相，这些岩相根据矿物组合的不同被划分为四个类型（相1-4），其组合随海拔高度和与Numanotaira火山口（山顶）的距离而变化。相1位于海拔1240-1390米之间的Iogawa山谷，其特征是包含方石英、黄铁矿、自然硫、高岭石和蒙脱石等矿物，表明该区域经历了蒸汽加热型蚀变。相2属于热液角砾岩，位于相1内部，由石英、黄铁矿、重晶石和赤铁矿组成，由深部酸性硫酸盐流体作用形成。相3环绕Numanotaira火山口，海拔高于1440米，其特征是方石英-石英-黄铁矿-自然硫的组合，与喷气孔活动相关。相4为填充火山口的粘土沉积物，由石英-方石英-明矾石-Si-Al-粘土矿物组成，源自深部酸性硫酸盐流体的蚀变作用。这些岩相特征为研究岩盖封闭系统（如相1和相3）以及浅成热液矿床最上层贫矿区（如相2和相4）提供了依据。根据地层关系，热液活动在5万年前从Iogawa山谷（相1和相2）向Numanotaira火山口（相3和相4）迁移，这一过程可能由古水位下降和岩浆-热液系统的重组驱动。这些发现揭示了火山-热液喷发的起源以及活火山与浅成斑岩系统之间的联系。

引言

全球范围内，活火山内部都存在岩浆-热液系统。这些系统涉及脱气岩浆、上升的岩浆-热液流体、大气降水以及它们与岩石之间的相互作用，从而导致蚀变带的形成，进而影响火山的稳定性（例如，Giggenbach, 1997; Zimbelman et al., 2005; Kereszturi et al., 2020）。在深部，岩浆-热液活动还可能引发基性和/或贵金属矿化作用（Hedenquist and Arribas, 2022）。在具有岩浆-热液系统的活火山中，频繁发生的火山-热液喷发（Imura et al., 2024），包括蒸汽型/热液型和蒸汽-岩浆型/岩浆-热液型喷发（Browne and Lawless, 2001），会喷出大量热液蚀变岩屑和不同量的新鲜岩浆（例如，Imura et al., 2024）。这些热液蚀变岩屑提供了关于火山内部蚀变带的信息（例如，Minami et al., 2016）。实际上，岩浆-热液系统可能是引发火山-热液喷发的原因，这种喷发可能与岩浆活动直接或间接相关（Ohba and Kitade, 2005; Ohba et al., 2007; Imura et al., 2019, 2021, 2024）。了解火山内部的岩浆-热液系统的性质对于阐明这类喷发的机制及火山系统的演化至关重要；然而，持续的火山活动形成的喷出岩层掩盖了活跃的岩浆-热液系统。

当前和过去的岩浆-热液系统可以通过蚀变矿物学、全岩地球化学和火山地层学相结合的方法进行研究（例如，John et al., 2005, 2008, 2019; Kereszturi et al., 2020, 2021）。特别是，通过绘制未蚀变区和热液蚀变区的分布图，有助于理解过去岩浆-热液系统的空间分布（Zimbelman et al., 2005; John et al., 2008; Kereszturi et al., 2020）。这些方法适用于火山单元的钻探（如在矿产勘探中使用的那样；例如，Burrows et al., 2020; Calder et al., Hedenquist and Arribas, 2022），或者当广泛的侵蚀和切割暴露了蚀变火山内部结构时。

Adatara火山是Azuma、Bandai和Adatara火山群中的一座活火山（图1a）。在该火山中，热液蚀变带在Numanotaira火山口（海拔1452米）及其西侧的Iogawa山谷中尤为明显，这也是本研究的重点区域（图1b）。自中更新世以来，Adatara火山频繁发生火山-热液喷发（例如，Yamamoto and Sakaguchi, 2000; Fujinawa and Kamata, 2005; Kataoka and Nagahashi, 2019）。这些研究记录了该火山内部存在活跃的岩浆-热液系统，并指出该地区存在潜在的危险性火山活动及火山-热液喷发风险，类似于过去曾导致人员伤亡的喷发事件（例如，1900年7月和1997年9月；日本气象厅，2014年）。确定和描述Adatara火山的热液蚀变带有助于了解该岩浆-热液系统的分布范围、形成时间和演化过程。本研究旨在加深我们对Adatara火山蚀变作用特征及其与火山-热液喷发及深部基性和/或贵金属矿化潜力之间关系的理解。

章节摘要

当前的地貌和地热环境

Adatara火山位于日本东北部的福岛县东北部（图1a）。其显著的地貌特征是Numanotaira火山口（图1b和2）。Adatara火山的西侧没有其他火山口。过去25万年来，Numanotaira火山口周围的区域一直是喷发中心（Yamamoto and Sakaguchi, 2000; Fujinawa et al., 2001; Fujinawa and Kamata, 2005）。

方法

2018至2021年间，研究人员对Iwogawa山谷和Numanotaira火山口中暴露的热液蚀变带进行了野外测绘，使用了无人机（UAV）进行航空调查。采集的样品在实验室中进行了矿物学、化学和岩石学分析，根据矿物学和地层关系确定了蚀变带的类型及其形成时间（例如，

热液蚀变带的定义和特征：相1至相4

Adatara火山西侧火山单元的热液蚀变可以根据结构、矿物组成及形成时间（通过与宿主火山单元的切割关系确定）分为四个类型（见图5、图6）。

基于空间和地层关系的蚀变时间

相1分布在海拔1260至1410米之间的Iogawa山谷。相2的孔隙状硅化热液角砾岩出现在海拔1270-1280米和1370-1380米处（见图5、图6）。相2在空间上包含在相1范围内，并且与相1大致同时形成。根据地层约束（Fujinawa and Kamata, 2005; 图4），相1和相2的蚀变作用估计形成于5万至7万年前。

结论

通过对蚀变地质、矿物学及地层关系的综合研究，阐明了过去7万年来Adatara火山岩浆-热液系统的性质和演化过程（见图5、图6、图17）。本研究不仅提供了局部火山演化模型，还对活火山系统与全球浅成斑岩环境的关联具有更广泛的启示，具体如下：

• •
  一个完整的浅成斑岩系统基础：大约在7万至5万年前，

作者贡献

TI：采样、地质调查、无人机航空调查、实验室分析、数据整理、研究构思、撰写初稿、获取资金。AA：采样、地质调查、实验室分析、数据讨论、手稿修订、研究构思。KSK：地质调查、数据分析、数据讨论、手稿修订、资金获取。YN：地质调查、数据分析、数据讨论、手稿修订。AA：地质调查，

作者贡献声明

今村卓史：撰写——审阅与编辑、撰写初稿、数据可视化、资源获取、项目管理、方法论研究、资金筹集、数据分析、概念化。安东尼奥·阿里巴斯：撰写——审阅与编辑、数据可视化、资金获取、数据管理、概念化。片冈京子：撰写——审阅与编辑、数据可视化、研究调查、资金获取、数据分析。长桥良隆：

资金来源

本研究得到了日本文部科学省（MEXT）“日本学术振兴会早期职业科学家资助计划”（项目负责人：TI）、新潟大学自然灾害与灾害恢复研究所“合作研究基金”（财政年度2020年，项目负责人：TI，共同项目负责人：KSK）、“合作研究基金”（财政年度2021年，项目负责人/共同项目负责人：TI, KSK）以及福田地质研究所“福田研究青年计划2021”的财政支持。

未引用参考文献

Calder et al., 2022Hedenquist et al., 2000Sillitoe, 2010van Hinsberg et al., 2010White, 1957

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究在技术上和学术上得到了以下人士的支持：山形大学的Ban Masao、Nakashima Kazuo、Sohken Consultant Co. Ltd.的Yasui Mistuhiro、Hokkaido教育大学的Aizawa Masataka以及Niigata大学的Antonio M. álvarez-Valero和Jamie I. Farquharson。我们特别感谢Nakanosawa温泉旅馆协会和Numajiri温泉旅馆协会的会长Frukawa Taiichiro允许我们使用相关设施。