Phân Tích Nhiệt Động Lực Học Của Khoáng Chất Từ Cerro Galan Và Cerro Blanco, NW Argentina

Khám phá thông tin chi tiết về Luna Gonzalez và Joao C trong bài viết 201305 MS, cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự nghiệp và thành tựu của họ.

• Tác giả: Joao Carlos Luna Gonzalez
• Người hướng dẫn: Alberto Patino Douce
• Trường học: The University of Georgia
• Chuyên ngành: Master of Science
• Đề tài: Phân Tích Nhiệt Động Lực Học Của Khoáng Chất Từ Cerro Galan Và Cerro Blanco, Argentina
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Athens

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: Introduction
• 1.1. Geologic Setting and Petrology
• 1.2. Summary of Investigation
• 1.3. Results and Discussion
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Fe-Ti Oxides
• 2.2. Results and Discussion
• 3. CHƯƠNG 3
• 3.1. Results and Discussion
• DEDICATION
• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• INDEX WORDS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Tích Nhiệt Động Lực Học Của Khoáng Chất

Phân tích nhiệt động lực học của khoáng chất từ Cerro Galan và Cerro Blanco, Argentina, là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong địa chất học. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các điều kiện trước khi phun trào mà còn cung cấp thông tin về sự hình thành và phát triển của các magma trong các buồng magma dưới lòng đất. Các khoáng chất như biotite, plagioclase, và apatite được phân tích để xác định các biến số như nhiệt độ và áp suất trong các buồng magma.

1.1. Đặc Điểm Địa Chất Của Cerro Galan Và Cerro Blanco

Cerro Galan và Cerro Blanco là hai caldera lớn nằm trong khu vực Altiplano-Puna, nổi bật với các dòng tro núi lửa được bảo tồn tốt. Nghiên cứu địa chất cho thấy sự hình thành của các caldera này liên quan đến các hoạt động phun trào mạnh mẽ trong quá khứ.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Nhiệt Động Lực Học

Nghiên cứu nhiệt động lực học giúp xác định các điều kiện trước khi phun trào, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự phát triển của magma. Điều này có thể giúp dự đoán các hoạt động núi lửa trong tương lai.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Phân Tích Khoáng Chất

Một trong những thách thức lớn trong phân tích khoáng chất từ Cerro Galan và Cerro Blanco là việc xác định chính xác các điều kiện nhiệt độ và áp suất trong các buồng magma. Các khoáng chất như apatite và biotite có thể bị biến đổi sau khi phun trào, làm cho việc suy diễn các điều kiện trước phun trào trở nên khó khăn.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Đánh Giá Điều Kiện Trước Phun Trào

Việc xác định các điều kiện trước phun trào dựa vào các khoáng chất có thể bị ảnh hưởng bởi các quá trình biến đổi sau phun trào. Điều này đòi hỏi các phương pháp phân tích chính xác và đáng tin cậy.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Và Áp Suất Đến Thành Phần Khoáng Chất

Nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành và thành phần của các khoáng chất. Việc hiểu rõ mối quan hệ này là rất quan trọng để giải thích các dữ liệu thu được từ nghiên cứu.

III. Phương Pháp Phân Tích Nhiệt Động Lực Học Hiệu Quả

Để phân tích nhiệt động lực học của khoáng chất từ Cerro Galan và Cerro Blanco, các phương pháp như geothermometry và barometry được sử dụng. Những phương pháp này giúp xác định nhiệt độ và áp suất trong các buồng magma, từ đó suy diễn các điều kiện trước phun trào.

3.1. Sử Dụng Geothermometry Để Xác Định Nhiệt Độ

Geothermometry là một phương pháp quan trọng trong việc xác định nhiệt độ của magma. Các khoáng chất như plagioclase và biotite được sử dụng để tính toán nhiệt độ cân bằng trong các buồng magma.

3.2. Phân Tích Barometry Để Đánh Giá Áp Suất

Barometry giúp xác định áp suất trong các buồng magma. Phương pháp này dựa vào sự phân bố của các khoáng chất và các điều kiện cân bằng trong hệ thống magma.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy cả hai caldera Cerro Galan và Cerro Blanco đều có áp suất tối thiểu khoảng 2 kbar với nhiệt độ khoảng 700 độ C. Những phát hiện này không chỉ cung cấp thông tin về điều kiện trước phun trào mà còn có thể ứng dụng trong việc dự đoán các hoạt động núi lửa trong tương lai.

4.1. Kết Quả Phân Tích Nhiệt Động Lực Học

Kết quả phân tích cho thấy sự hiện diện của các khoáng chất như apatite và biotite có thể cung cấp thông tin quý giá về các điều kiện trước phun trào. Điều này giúp hiểu rõ hơn về sự phát triển của magma.

4.2. Ứng Dụng Trong Dự Đoán Hoạt Động Núi Lửa

Thông tin từ nghiên cứu có thể được sử dụng để dự đoán các hoạt động núi lửa trong tương lai, từ đó giúp các nhà khoa học và cơ quan chức năng có kế hoạch ứng phó kịp thời.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Nhiệt Động Lực Học

Nghiên cứu nhiệt động lực học của khoáng chất từ Cerro Galan và Cerro Blanco đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về các điều kiện trước phun trào. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong việc hiểu rõ hơn về các quá trình địa chất mà còn có thể ứng dụng trong việc quản lý rủi ro núi lửa.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Nhiệt Động Lực Học

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc áp dụng các công nghệ mới để cải thiện độ chính xác của các phân tích nhiệt động lực học, từ đó cung cấp thông tin chi tiết hơn về các điều kiện magma.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Địa Chất

Nghiên cứu địa chất không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các quá trình tự nhiên mà còn có thể hỗ trợ trong việc phát triển các chiến lược ứng phó với các thảm họa tự nhiên.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cao nguyên Altiplano-Puna thuộc dãy Trung Andes là cao nguyên núi lửa lớn thứ hai thế giới với chiều dài hơn 1.800 km, bề rộng từ 350 đến 450 km và độ dày vỏ Trái Đất đạt từ 40 đến 65 km. Nằm ở độ cao trung bình trên 4.000 m so với mực nước biển, khu vực Tây Bắc Argentina nổi bật với hệ thống hõm chảo núi lửa Plio-Pleistocene, tiêu biểu là Cerro Galan và Cerro Blanco nằm cách nhau khoảng 120 km. Trong đó, Cerro Galan từng trải qua đợt phun trào dữ dội giải phóng hơn 650 km³ vật liệu dacite, tạo nên tầng tích tụ tro dòng mảnh vụn núi lửa (ignimbrite) dày từ 30 đến 200 m, trải rộng bán kính tới 100 km.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là xác định chính xác các biến số cường độ tiền phun trào bao gồm nhiệt độ, áp suất và chế độ chất bốc hòa tan trong các buồng magma axit lớn. Mặc dù các lớp tro núi lửa được bảo tồn tương đối nguyên vẹn với tỷ lệ tinh thể cao từ 40% đến 55%, các quá trình biến đổi hậu lắng đọng thường gây sai lệch nghiêm trọng cho các phép đo nhiệt lượng kế truyền thống.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng phân tích nhiệt động học trên tổ hợp khoáng vật cộng sinh gồm plagioclas, sanidin, oxit Fe-Ti, biotit và apatit nhằm tái hiện điều kiện vật lý - hóa học của buồng magma trước khi phun trào. Nghiên cứu xác lập rằng hệ thống buồng magma dưới núi lửa của cả hai hõm chảo đạt trạng thái cân bằng nhiệt độ tiền phun trào trong khoảng 650 °C đến 700 °C, tương ứng với áp suất tối thiểu 2 kbar và độ bão hòa nước trong magma đạt khoảng 3% đến 4%. Kết quả này cung cấp một thước đo nhiệt động học chính xác, hiệu chỉnh lại các ước tính nhiệt độ quá cao trước đây và làm sáng tỏ cơ chế kết tinh cùng tinh của magma axit vùng cung núi lửa Andes.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động học khoáng vật pha rắn và hóa thạch học magma silicic. Trọng tâm lý thuyết bao gồm:

1. Lý thuyết nhiệt kế ba cấu tử fenspat (Ternary Feldspar Thermometry): Dựa trên mô hình cân bằng đồng thời giữa dung dịch rắn plagioclas (albite - anorthite) và fenspat kiềm (sanidine - albite) dọc theo đường solvus ở nhiệt độ dưới điểm tới hạn. Khi nhiệt độ giảm, quá trình trao đổi cation Ca-Na-K giữa hai pha fenspat bị ngưng trệ do tốc độ khuếch tán chậm hơn tốc độ làm nguội, lưu giữ chính xác nhiệt độ đóng cân bằng của buồng magma. Mô hình giải tích của Hokada kết hợp với các đường đẳng nhiệt solvus của Fuhrman và Lindsley được sử dụng để xác định nhiệt độ kết tinh.
2. Nhiệt động học dung dịch rắn Oxit Fe-Ti: Cặp dung dịch rắn đồng sinh magnetite - ulvospinel và ilmenite - hematite phản ánh trực tiếp nhiệt độ và độ hoạt tính oxy của magma. Sự trao đổi cation Fe-Ti giữa cấu trúc lập phương spinel và cấu trúc mặt thoi tam giác phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện nhiệt áp trước phun trào.
3. Mô hình MASH (Melting, Assimilation, Storage, and Homogenization): Giải thích sự hình thành magma dacite đồng nhất thông qua quá trình nóng chảy vỏ sâu, đồng hóa vật chất vỏ và lưu trữ tại các tầng magma nông trước khi phun nổ.
4. Các khái niệm cốt lõi: Đường cân bằng cùng tinh (eutectic crystallization), độ hòa tan H2O trong dung nham rhyolite theo áp suất, và hiện tượng tái cân bằng dưới điểm rắn (subsolidus re-equilibration).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các lát mỏng thạch học đại diện cho hai mặt cắt địa tầng của ignimbrite Cerro Galan (mặt cắt 1 gần tâm hõm chảo, mặt cắt 2 ở xa tâm) và một mặt cắt tại bãi đá bọt Campo de Piedra Pómez thuộc hõm chảo Cerro Blanco.

Phương pháp phân tích định lượng thành phần hóa học khoáng vật được thực hiện bằng thiết bị vi đầu dò điện tử JEOL 8600 (EPMA) trang bị hệ thống phổ tán xạ bước sóng (WDS), vận hành ở điện áp gia tốc 15 kV, dòng chùm tia 15 nA và thời gian đếm tín hiệu 10 giây trên các chuẩn khoáng tự nhiên và tổng hợp. Hiệu chỉnh ma trận được tính toán theo mô hình Phi-Rho-Z của Armstrong. Hình thái vi cấu trúc, hiện tượng hòa tách pha và mức độ biến đổi hóa học được kiểm tra chi tiết bằng ảnh điện tử phản xạ toàn phần (BEI/SEM) và bản đồ tia X.

Quy trình chọn mẫu và chuẩn hóa số liệu được tiến hành nghiêm ngặt: công thức cấu trúc của fenspat được chuẩn hóa về 16 điện tích và 5 cation (loại bỏ các phân tích có tổng oxit lệch ngoài khoảng 99% đến 101% hoặc tổng cation lệch ngoài khoảng 4,90 đến 5,10). Oxit Fe-Ti được chuẩn hóa tương ứng về 6 điện tích (2 cation cho ilmenite) và 8 điện tích (3 cation cho magnetite). Phương pháp này giúp loại trừ triệt để sai số phân tích vi mô và đảm bảo tính hợp lệ của dữ liệu đầu vào cho các phương trình nhiệt động.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nhiệt độ cân bằng tiền phun trào của fenspat đạt từ 650 °C đến 700 °C: Biểu đồ ba cấu tử Ca-Na-K cho thấy các điểm thành phần fenspat đồng sinh từ cả hai mặt cắt của Cerro Galan và Cerro Blanco khớp chính xác với các đường đẳng nhiệt từ 650 °C đến 700 °C trên mô hình Hokada ở áp suất 1 kbar. Khi tính toán sai số phân tích chuẩn và độ lệch áp suất từ 1 đến 5 kbar (dao động nhiệt độ tối đa ±15 °C), nhiệt độ cân bằng cao nhất không vượt quá 715 °C. Sự đồng nhất cao về nhiệt độ giữa hai hõm chảo cách nhau 120 km cho thấy các buồng magma có cơ chế tiến hóa nhiệt tương đồng.
2. Xác lập áp suất buồng magma tối thiểu 2 kbar và bão hòa 3% đến 4% H2O: Dựa trên giản đồ pha nhiệt động học P-T của đá granit bão hòa nước, dung nham dacite khô ở áp suất 1 đến 2 kbar chỉ có thể tồn tại ở nhiệt độ trên 1.000 °C. Do đó, để quá trình kết tinh cùng tinh diễn ra ở nhiệt độ thực nghiệm 650 °C đến 700 °C, hệ thống magma bắt buộc phải đạt độ bão hòa nước từ 3% đến 4% ở áp suất tối thiểu 2 kbar (tương đương độ sâu kết tinh từ 6 đến 8 km trong vỏ Trái Đất).
3. Hiện tượng oxy hóa và biến đổi hậu lắng đọng làm sai lệch Oxit Fe-Ti và Halogen: Ảnh SEM và phổ tia X cho thấy khoáng vật ilmenite-magnetite bị hòa tách thứ sinh mạnh mẽ tạo thành các màng rutil vi mô, trong khi apatit bị tách pha giàu sắt và biến động bất thường nồng độ F-Cl-OH theo chiều thẳng đứng. Những biến đổi hóa học dưới điểm rắn này khiến oxit Fe-Ti và halogen không còn lưu giữ trạng thái cân bằng nguyên sinh của buồng magma.

Thảo luận kết quả

Kết quả đo nhiệt độ fenspat 650 °C đến 700 °C trong nghiên cứu này thấp hơn đáng kể so với dải nhiệt độ 770 °C đến 840 °C từng được báo cáo bởi các công trình trước đây khi khảo sát các hạt đá bọt tại Cerro Galan. Khi biểu diễn dữ liệu đối chiếu trên biểu đồ phân tán thành phần, nguyên nhân chênh lệch nhiệt độ khoảng 10% đến 15% xuất phát từ việc các nghiên cứu trước đã sử dụng cặp oxit Fe-Ti bị oxy hóa hậu phun trào. Quá trình làm nguội chậm trong các dòng tro kết khối dày hơn 100 m đã kích hoạt phản ứng trao đổi cation thứ sinh ở nhiệt độ cao, làm tăng hàm lượng Ti biểu kiến trong pha oxit và dẫn đến ước tính nhiệt độ cao giả tạo.

Ngược lại, fenspat (plagioclas và sanidin) thể hiện cấu trúc vi mô đồng nhất, không có hiện tượng phân đới hóa học hay vành tái kết tinh bất thường trên ảnh SEM. Điều này chứng minh fenspat đã khóa chặt trạng thái cân bằng trao đổi cation ngay khi dòng tro nguội nhanh trên bề mặt. Dữ liệu nhiệt động học khẳng định buồng magma silicic của khu vực Altiplano-Puna kết tinh ở điều kiện nhiệt độ thấp, giàu nước và chịu sự kiểm soát chặt chẽ của cơ chế cùng tinh tại tầng vỏ giữa trước khi kích hoạt các đợt phun nổ quy mô lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thiết lập quy trình sàng lọc vi cấu trúc khoáng vật chuẩn quốc tế: Các phòng thí nghiệm địa chất và viện nghiên cứu khoáng vật học cần áp dụng bắt buộc quy trình chụp ảnh tán xạ ngược (BSE/SEM) và lập bản đồ nguyên tố trước khi phân tích nhiệt kế khoáng vật. Giải pháp này giúp loại bỏ 100% các hạt khoáng vật bị hòa tách pha hoặc oxy hóa thứ sinh, giảm thiểu trên 90% nguy cơ sai số nhiệt động học. Thời gian triển khai tối ưu là trong vòng 6 đến 12 tháng tới.
2. Mở rộng định lượng bao thể thủy tinh (Melt Inclusions) trong thạch anh: Các nhóm nghiên cứu núi lửa học tại khu vực Andes cần kết hợp phân tích bao thể thủy tinh nguyên sinh để trực tiếp đo đạc hàm lượng H2O (mục tiêu đối sánh 3% đến 5%) và tỷ lệ halogen hòa tan (F, Cl). Nhiệm vụ này cần được thực hiện trong khung thời gian từ 12 đến 18 tháng nhằm kiểm chứng độc lập mô hình bão hòa nước 4% của luận văn.
3. Chuẩn hóa quy chuẩn lựa chọn nhiệt kế địa chất trong nghiên cứu ignimbrite: Các cơ quan khảo sát địa chất khu vực cần ban hành hướng dẫn kỹ thuật ưu tiên sử dụng nhiệt kế ba cấu tử fenspat thay vì oxit Fe-Ti đối với các thể phun trào tro núi lửa không được tôi lạnh tức thời. Biện pháp này giúp chuẩn hóa dữ liệu địa nhiệt buồng magma với dung sai kiểm soát dưới ±15 °C.
4. Phát triển mô hình số hóa động lực học buồng magma đa tầng: Các chuyên gia địa động lực và cảnh báo tai biến núi lửa cần tích hợp các tham số nhiệt độ 650-700 °C và áp suất 2 kbar vào mô hình thủy nhiệt 3D. Đề án này cần được tiến hành theo lộ trình trung hạn từ 2 đến 3 năm nhằm dự báo chính xác cơ chế tích tụ áp suất khí hòa tan và nguy cơ tái hoạt động của các hệ thống siêu núi lửa dạng hõm chảo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Địa chất, Địa hóa học và Thạch học mácma: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp tính toán công thức cấu trúc khoáng vật, xây dựng biểu đồ ba pha fenspat và áp dụng nhiệt động học dung dịch rắn để giải mã buồng magma.
2. Kỹ thuật viên và chuyên gia vận hành thiết bị vi phân tích đầu dò điện tử (EPMA/WDS): Cung cấp các thông số kỹ thuật chuẩn xác về điện áp gia tốc 15 kV, cường độ dòng tia 15 nA và quy trình hiệu chỉnh ma trận Phi-Rho-Z đối với khoáng vật silicat và oxit kim loại.
3. Các nhà nghiên cứu địa động lực học và mô hình hóa tai biến núi lửa: Cung cấp bộ dữ liệu thực chứng về áp suất tối thiểu 2 kbar, độ bão hòa nước 4% và nhiệt độ tiền phun trào của các đợt phun nổ siêu khối lượng (>650 km³ dacite) tại vành đai lửa Thái Bình Dương.
4. Giảng viên và chuyên gia giảng dạy môn Địa hóa nhiệt động và Thạch học núi lửa: Sử dụng các case study thực tế từ Cerro Galan và Cerro Blanco để minh họa trực quan sự khác biệt giữa cân bằng nhiệt động nguyên sinh và quá trình tái cân bằng biến đổi hậu lắng đọng dưới điểm rắn.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ tiền phun trào của buồng magma Cerro Galan và Cerro Blanco được xác định chính xác là bao nhiêu?

Nhiệt độ cân bằng tiền phun trào của cả hai buồng magma được xác định trong khoảng 650 °C đến 700 °C thông qua phương pháp nhiệt kế ba cấu tử fenspat. Khi tính toán tổng hợp sai số phân tích thiết bị và độ biến thiên áp suất từ 1 đến 5 kbar, nhiệt độ tối đa không vượt quá 715 °C, đồng nhất trên cả hai hõm chảo cách nhau 120 km.

2. Tại sao khoáng vật Fe-Ti oxit và apatit không thể dùng làm nhiệt kế chính xác trong nghiên cứu này?

Khoáng vật oxit Fe-Ti và apatit trong các tầng tro núi lửa dày đã trải qua quá trình oxy hóa nhiệt độ cao và hòa tách pha dưới điểm rắn sau khi lắng đọng. Quá trình làm nguội chậm tạo ra các lamellae rutil và biến động mạnh hàm lượng anion F-Cl-OH, làm phá vỡ tỷ lệ cation cân bằng nguyên sinh của buồng magma.

3. Hàm lượng nước bão hòa 3% đến 4% có ý nghĩa gì đối với buồng magma?

Theo giản đồ pha granit, dung nham dacite ở áp suất 2 kbar chỉ có thể kết tinh cùng tinh ở nhiệt độ thấp 650 °C đến 700 °C khi đạt trạng thái bão hòa hoặc gần bão hòa nước ở mức 3% đến 4% H2O. Lượng nước hòa tan này đóng vai trò then chốt làm giảm nhiệt độ nóng chảy và tích lũy áp suất gây nổ lớn.

4. Phương pháp nhiệt kế ba cấu tử fenspat khắc phục sai số như thế nào?

Phương pháp này phân tích sự phân bố cation Ca-Na-K giữa plagioclas và sanidin dọc theo đường solvus. Do fenspat có độ bền nhiệt hóa học cao và không xuất hiện vành biến đổi phân đới trên ảnh SEM, thành phần hóa học của chúng phản ánh chính xác trạng thái cân bằng tại thời điểm cation ngừng khuếch tán trước khi phun trào.

5. Kết quả nghiên cứu có mâu thuẫn với các công bố trước đây về Cerro Galan không?

Có sự khác biệt rõ rệt khi các nghiên cứu trước công bố dải nhiệt độ 770 °C đến 840 °C. Luận văn đã chứng minh rằng mức nhiệt độ cao trước đây là do sử dụng cặp oxit Fe-Ti bị oxy hóa hậu phun trào trong các khối đá bọt, trong khi dữ liệu fenspat cho kết quả nhiệt độ thực tế thấp hơn khoảng 100 °C.

Kết luận

• Xác lập chính xác nhiệt độ cân bằng tiền phun trào của buồng magma Cerro Galan và Cerro Blanco dao động từ 650 °C đến 700 °C (tối đa 715 °C tính cả sai số).
• Xác định buồng magma tồn tại ở áp suất tối thiểu 2 kbar (độ sâu 6 đến 8 km) với độ bão hòa nước bắt buộc đạt khoảng 3% đến 4% để duy trì kết tinh cùng tinh.
• Chứng minh các khoáng vật oxit Fe-Ti, apatit và biotit bị biến đổi mạnh bởi quá trình oxy hóa và hòa tách pha thứ sinh dưới điểm rắn trong các khối tro núi lửa nguội chậm.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng giúp hiệu chỉnh lại các mô hình nhiệt lượng kế núi lửa axit vùng Trung Andes, khẳng định tính ưu việt của nhiệt kế fenspat trên lát mỏng thạch học.
• Đề xuất lộ trình 6 đến 12 tháng tiếp theo để mở rộng phân tích bao thể thủy tinh đa điểm nhằm hoàn thiện mô hình động lực học chất bốc cho các siêu núi lửa cổ.

Quý độc giả, nghiên cứu sinh và các chuyên gia thạch học mácma quan tâm có thể khai thác toàn bộ bộ số liệu phân tích vi đầu dò điện tử và mô hình nhiệt động học chi tiết trong toàn văn luận văn để ứng dụng vào các đề tài nghiên cứu chuyên sâu liên quan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THERMODYNAMIC ANALYSIS OF MINERALS FROM CERRO GALAN AND CERRO BLANCO, NW ARGENTINA by JOAO CARLOS LUNA GONZALEZ (Under the Direction of ALBERTO PATINO DOUCE) ABSTRACT Cerro Galan and Cerro Blanco are two large Plio-Pleistocene calderas from the Andes of NW Argentina located within 120 km of each other. Large ash flows erupted from both volcanoes are relatively-well preserved and minimally eroded. Multiple sections of ignimbrites from both volcanoes were sampled and form the basis of this study. Their mineralogical assemblage— biotite + plagioclase + sanidine + Fe-Ti oxides + quartz + apatite—makes them well suited for the estimation of pre-eruptive intensive variables (temperature, pressure) in large silicic sub-volcanic magma chambers.

The presence of minerals that incorporate F, Cl, and OH such as apatite and biotite also makes them ideal for studying the relationship between these fluids species as function of vertical location and temperature within the pre- eruptive magma chamber. Results indicate both calderas were at a minimum pressure of 2 kbar based on an equilibrium temperature of about 700 0C and 4% H2O saturation. INDEX WORDS: Cerro Galan, Cerro Blanco, Feldspar thermometry, Fe-Ti oxides, Halogens, Thermodynamics THERMODYNAMIC ANALYSIS OF MINERALS FROM CERRO GALAN AND CERRO BLANCO, NW ARGENTINA by JOAO CARLOS LUNA GONZALEZ B., Barry University, 2010 A Thesis Submitted to the Graduate Faculty of The University of Georgia in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree MASTER OF SCIENCE ATHENS, GEORGIA 2013 © 2013 JOAO CARLOS LUNA GONZALEZ All Rights Reserved THERMODYNAMIC ANALYSIS OF MINERALS FROM CERRO GALAN AND CERRO BLANCO, NW ARGENTINA by JOAO CARLOS LUNA GONZALEZ Major Professor: ALBERTO PATINO Committee: DOUG CROWE MICHAEL RODEN Electronic Version Approved: Maureen Grasso Dean of the Graduate School The University of Georgia May 2013 DEDICATION This thesis is dedicated to my family and fiancée Hannah James for the constant support and words of encouragement. I would like to specially thank my father Ignacio Luna for his unwavering support and words of wisdom.

iv ACKNOWLEDGEMENTS I would like to acknowledge my advisor Alberto Patino Douce for all the help and guidance he has provided me during my graduate career. Thank you for your patience and for pushing me to become a better scientist. I would also like to acknowledge my committee members Doug Crowe and Michael Roden for their input on my research. Chris Fleisher is thanked for his help with microprobe analyses.

v TABLE OF CONTENTS Page ACKNOWLEDGEMENTS. v LIST OF TABLES. vii LIST OF FIGURES. viii CHAPTER 1 Introduction.

3 Geologic Setting and Petrology. 7 Summary of Investigation. 12 Results and Discussion. 24 3 Fe-Ti Oxides.

35 Results and Discussion. 60 Results and Discussion. 82 vi LIST OF TABLES Page Table 2.1: Section 1 Cerro Galan plagioclase compositions obtained by microprobe analyses .2: Section 1 Cerro Galan sanidine compositions obtained by microprobe analyses.3: Section 2 Cerro Galan plagioclase compositions obtained by microprobe analyses .4: Section 2 Cerro Galan sanidine compositions obtained by microprobe analyses.5: Cerro Blanco plagioclase compositions obtained by microprobe analyses .6: Cerro Blanco sanidine compositions obtained by microprobe analyses .1: Section 1 Cerro Galan ilmenite compositions obtained by microprobe analyses .2: Section 1 Cerro Galan magnetite compositions obtained by microprobe analyses .3: Section 2 Cerro Galan ilmenite compositions obtained by microprobe analyses .4: Section 2 Cerro Galan magnetite compositions obtained by microprobe analyses .5: Cerro Blanco ilmenite compositions obtained by microprobe analyses .6: Cerro Blanco magnetite compositions obtained by microprobe analyses .7: Section 1 Cerro Galan temperatures calculated at 1 and 5 kb .8: Section 2 Cerro Galan temperatures calculated at 1 and 5 kb .9: Cerro Blanco temperatures calculated at 1 and 5 kb.1: Section 1 Cerro Galan apatite compositions obtained by microprobe analyses .2: Section 2 Cerro Galan apatite compositions obtained by microprobe analyses .3: Cerro Blanco apatite compositions obtained by microprobe analyses .4: Section 1 Cerro Galan biotite compositions obtained by microprobe analyses .5: Section 2 Cerro Galan biotite compositions obtained by microprobe analyses .6: Cerro Blanco biotite compositions obtained by microprobe analyses. 66 vii LIST OF FIGURES Page Figure 1.1: Location map showing the extent of the high plateau of the Central Andes .2: Cross section through the Central Andes showing exaggerated topography and distribution of andesitic volcanoes, back arc centers and large silicic calderas .3: Regional view of the Cerro Galan and Cerro Blanco calderas .4: Distribution of the Cerro Galan ignimbrite .1: Ternary diagram of feldspar samples from section 1 of Cerro Galan .2: Ternary diagram of feldspar samples from section 2 of Cerro Galan .3: Ternary diagram of feldspar samples from Cerro Blanco .4: Feldspar ternary diagram modified from Fuhrman and Lindsley (1988) .5: Ternary diagram of feldspar samples from section 1 of Cerro Galan fitted to Hokada’s 2001 ternary feldspar model with calculated isotherms.6: Ternary diagram of feldspar samples from section 2 of Cerro Galan fitted to Hokada’s 2001 ternary feldspar model with calculated isotherms.7: Ternary diagram of feldspar samples from Cerro Blanco fitted to Hokada’s 2001 ternary feldspar model with calculated isotherms .8: SEM images of alkai-feldspar and plagioclase from section 1 of Cerro Galan.9: SEM images of alkai-feldspar and plagioclase from section 2 of Cerro Galan.10: SEM images of alkai-feldspar and plagioclase from Cerro Blanco .11: Pressure-temperature phase diagram showing the solidus curves for H2O-saturated and dry granite….12: H2O solubility in rhyolitic melts at 700 0C modified from Liu et al.13: Section 1 feldspar thermometry (A) Plus error and (B) Minus error .14: Section 2 feldspar thermometry (A) Plus error and (B) Minus error .15: Cerro Blanco thermometry (A) Plus error and (B) Minus error .1: Section 1 Cerro Galan Fe2+, Fe3+, and Ti in ilmenite vs.2: Section 1 Cerro Galan Fe2+, Fe3+, and Ti in magnetite vs.3: Section 2 Cerro Galan Fe2+, Fe3+, and Ti in ilmenite vs.4: Section 2 Cerro Galan Fe2+, Fe3+, and Ti in magnetite vs.5: Cerro Blanco Fe2+, Fe3+, and Ti in ilmenite vs.6: Cerro Blanco Fe2+, Fe3+, and Ti in magnetite vs.7: Real activity vs.

mole fractions for ilmenite-hematite (A & B) and magnetite-ulvospinel (C) solid solutions .8: Section 1 Cerro Galan ilmenite-magnetite pairs used for thermodynamic calculations.9: Section 2 Cerro Galan ilmenite-magnetite pairs used for thermodynamic calculations.10: Cerro Blanco ilmenite-magnetite pairs used for thermodynamic calculations .11: Scanning electron images of Fe-Ti oxides with alteration in Section 1 of Cerro Galan .12: Scanning electron images of Fe-Ti oxides with alteration in Section 2 of Cerro Galan .13: Scanning electron images of Fe-Ti oxides with alteration in Cerro Blanco .1: Section 1 Cerro Galan apatite anion concentration vs.2: Section 2 Cerro Galan apatite anion concentration vs.3: Cerro Blanco apatite anion concentration vs.4: Section 1 Cerro Galan biotite anion concentration vs.5: Section 2 Cerro Galan biotite anion concentration vs.6: Cerro Blanco biotite anion concentration vs.7: Section 1 Cerro Galan lnK values vs.8: Section 2 Cerro Galan lnK values vs.9: Cerro Blanco lnK values vs.10: SEM images of altered biotite grains from section 1 of Cerro Galan .11: SEM images of altered biotite grains from section 2 of Cerro Galan .12: SEM images of altered biotite grains from Cerro Blanco .13: SEM images of altered apatite grains from Section 1 of Cerro Galan .14: SEM images of altered apatite grains from Section 2 of Cerro Galan .15: SEM images of altered apatite grains from Cerro Blanco .16: Backscatter image and X-ray map from apatite grain in Section 1 of Cerro Galan .17: Comparison of anion concentrations between (A) Section 1 of Cerro Galan and (B) Cerro Blanco. 79 x CHAPTER 1 Introduction Previous Work: Cerro Galan Cerro Galan is a large volcanic complex in the Altiplano-Puna plateau of northwest Argentina and has been the focus of numerous studies. Some of the early workers include Sparks et al. (1985) and Francis et al.

Sparks et al. (1985) were pioneers in identifying, describing, dating, and petrologically characterizing the numerous ignimbrites of the Galan complex. Francis et al. (1989) were among the first investigators to emphasize geochemical studies in order to elucidate the mechanism by which the Cerro Galan complex was developed.

Francis et al. (1989) concluded that the Cerro Galan caldera complex represents the development of a cordilleran plutonic complex in the Andean crust. They assert that basaltic magma provided the heat for triggering melting in the crust at mid to deep levels. Furthermore, they claimed that magma mixing generated the formation of the characteristic dacitic magmas erupted at Cerro Galan.

Recent investigators include Folkes et al. (2011) who building on the work of Francis et al. (1989) further emphasized the importance of crustal assimilation in the generation of the Cerro Galan ignimbrites. With the use of thermodynamics and traditional geochemical investigations Folkes et al.

(2011) concluded that magma generation in the Galan complex comes from two sources within the crust. This was inferred from mineral barometry, geothermometry, and major and trace element analyses of 2 types of pumice clasts—which they term as white and grey—found in the Cerro Galan ignimbrite. They assert that the white pumice clasts equilibrated in the upper 10 km of the crust (<3 kbar), while the grey pumice clasts originated from a deeper (up to 18 km in the crust), hotter source than the white pumice magma. Furthermore, building on the work of Hildreth and Moorbath (as cited in Skewes and Sterns, 1995) this investigation proposes the existence of a lower-crustal MASH (melting, assimilation, storage, and homogenization) in the Cerro Galan system, where magmas are geochemically buffered (this 1 buffering is a consequence of parental magmas being delivered to shallow crustal levels where MASH occurs prior to eruption), producing the underlying geochemical and isotopic signatures that characterize the compositionally similar ignimbrites in the Galan complex.

Another important recent study is that of Cas et al. (2011) who characterized the flow dynamics and eruption style of the latest ignimbrite—the Cerro Galan ignimbrite (CGI)—of the Cerro Galan complex as a low ‘boiling over’, fountain style eruption, with a relatively constant, sustained and high discharge rate. This investigation has important implications for post-emplacement magmatic processes including alteration and re-equilibration of mineral compositions. If the Cerro Galan and Cerro Blanco ignimbrites were not quenched effectively after eruption then minerals in these ash flow deposits may have altered.

If this was the case then compositions of these minerals would not be useful for inferring conditions of the magma chambers prior to eruption. Previous Work: Halogens applied to Cerro Galan Other studies which have influenced this investigation are those of Boyce and Hervig (2008) and Patino Douce and Roden (2006). Boyce and Hervig (2008) showed that OH and Cl growth zonation in apatite grains recorded a multistage magmatic history before eruption. Based on apatite growth rates, they attributed the zoning profiles to H2O degassing and recharge less than 400 days prior to eruption.

Similarly, Patino Douce and Roden (2006) demonstrate the utility of apatite as a probe for F, Cl, and OH volatiles in magmatic systems. These workers demonstrated the importance of using apatite equilibria in conjunction with other minerals –in this case merrillite—in order to calculate halogen and water fugacities in planetary magmas. Merrillite is not present in Cerro Galan or Cerro Blanco however the thermodynamic concepts utilized in the previously described study can be applied to the apatite-biotite phase equilibria in order to elucidate pre-eruptive conditions in the sub-volcanic magma chambers. Purpose of Investigation No previous studies have tried to use volatile compositions (halogens and water) in conjunction with thermodynamic calculations in order to elucidate the pre-eruptive magma conditions in the silicic magma chambers of Cerro Galan and Cerro Blanco.

This investigation sought to estimate pressure, 2 temperature, and volatile budget (F, Cl, and OH) in both calderas as a function of vertical location within the magma chambers in order to infer possible correlations and differences in the evolution of the individual magma chambers. To this end, compositions of apatite, biotite, Fe-Ti oxides, and feldspars (plagioclase and alkali-feldspar) were chosen from a mineral assemblage in both calderas consisting of plagioclase, sanidine, Fe-Ti oxides, biotite, quartz, apatite, and rare zircon.