揭開蘇門答臘島火山活動的面紗

在東南亞的最南方,有著世界最多島嶼的國家-印度尼西亞。她位於歐亞板塊與印度-澳洲板塊的邊界上,隨著印澳板塊向北隱沒至歐亞板塊下方,形成印度洋東北部最長的島弧系統,成為研究隱沒帶島弧岩漿與大地構造關係最好的對象。

歐亞大陸沿著中南半島向南延伸至印尼的這一部分陸塊,稱為巽他大陸 (Sundaland),而印澳板塊向北隱沒入巽他大陸之下,形成巽他島弧 (Sunda Arc)。多年來,大多數的地質研究都集中在巽他島弧東端的爪哇島,而位於巽他島弧的西端的蘇門答臘島 (圖一),由於交通不便、叢林遍布、加上西北地區長年受到亞齊獨立軍的控制,樣本採樣不易而比較少相關的研究資料。

本系岩漿與火山實驗室的賴昱銘教授團隊、中研院地科所的鍾孫霖所長團隊、以及來自中國、馬來西亞與印尼當地的研究團隊,歷時四年的共同合作,於此世界第六大島上採集了超過250個火成岩樣本進行化學分析與定年工作,並陸續發表了數篇新的數據與模式,除了對於整個巽他島弧演化與大地構造有更多的理解外,也讓全球研究島弧系統的同伴有了更好的參考資訊。

本篇文章介紹研究團隊在整個蘇門答臘島進行的火成岩鋯石鈾鉛定年 (圖二),以及鋯石鉿同位素分析的成果 (圖三)。透過大量的定年資料,我們發現蘇門答臘的新生代島弧活動有兩個階段:(1) 古新世至始新世早期 (66-48 百萬年前),和 (2) 早中新世至近代 (23 百萬年前至今),兩者之間有長達25百萬年的岩漿靜止期。岩漿鋯石主要呈現中至高的鉿同位素值 (εHf(t) value),依照不同的地理位置:蘇門答臘西部為+19.4至+7.1、蘇門答臘中部為+17.1至+1.6、蘇門答臘東部+18.0至+7.0。

將此結果與蘇門答臘中生代的岩漿活動相比較,我們可以發現蘇門答臘島上的岩漿活動紀錄了三個過去存在的海洋關閉的訊號 (圖四),從古特提斯洋 (自老於300百萬年前至約220百萬年前)、中特提斯洋 (自約220百萬年前至130百萬年前)、以及新特提斯洋 (自約130百萬年前至48百萬年前),而且從侏儸紀以來的隱沒系統所產生的島弧岩漿鉿同為素質相當一致。在經過25百萬年的岩漿停滯期之後,印度澳洲隱沒系統在23百萬年前開始重新隱沒。從蘇門答臘島四個分區也可以看到各區有自己的特殊大地構造事件:西蘇門答臘在15百萬年前岩漿活動在靠南方海岸停止,而在第四紀重新在北方海岸噴發,代表了隱沒板塊的方向有所改變;多峇火山 (Toba) 相關的地區,鉿同為素值由於大量隱沒沉積物的影響而降低至0至負10間;而東蘇門答臘在新生代早期岩漿活動停止後,比其他地方都晚重新開始,直至15百萬年前左右才開始活動,並在10百萬年前至5百萬年前又有一次岩漿活動停滯時期 (圖三)。

本研究合併了過去所有在蘇門答臘島上的定年資料,將新生代西巽他島弧系統所造成的岩漿活動與大地構造連結,可分成三個時期 (圖五)。其中第一時期為66至48百萬年前的岩漿活動,形成坐落在蘇門答臘南方地塊上的火山體,隨著貫穿蘇門答臘全島的大斷層,平均以每年2.5公分向西北移動。第二時期為23百萬年前至2.6百萬年前,蘇門答臘島已與今日同形貌。第三時期為第四紀至今日。本研究為首度全面性完成蘇門答臘島上火山岩的鋯石定年,並且年代均能與地球化學相配對,進而進行大地構造模式建立的研究,重要性極高。

圖一 東南亞及鄰近地區的構造簡圖,紅色方塊表示樣本產地的四個區域。本研究中,從西到東為:西蘇門答臘、多峇地區、中蘇門答臘和東蘇門答臘。底圖來自NOAA的網站, https://ngdc.noaa.gov/mgg/global/relief/ETOPO1/image/。
圖二 新生代火成岩樣本採集位置與年代結果,圖中括弧的數字為20篇前人研究。六邊形顯示鋯石U-Pb年代值,不同顏色的六邊形顯示四個地區,空心的六邊形是火山岩,黑色實心的是深成岩,太陽形狀的圖案為活火山。
圖三 岩漿鋯石的鉿同為素值與鈾鉛年齡的關係圖。除了從48 Ma到23 Ma的岩漿間隙外,西蘇門答臘還有一個15 Ma之後的岩漿遷移事件。圖中東蘇門答臘似乎有兩個年帶缺口,但是部分使用其他定年方法有報導過,所以這裡打上問號。
圖四 蘇門答臘島自 250 Ma 以來岩漿鋯石的 εHf(t) 值與 U-Pb 年齡的圖。幾個隱沒階段的構造演化可以在這張圖中被辨認出來,例如中特提斯洋、新特提斯洋和印度-澳洲版塊的隱沒作用。
圖五 蘇門答臘新生代兩個岩漿階段的重建示意圖模型。岩漿在蘇門答臘島沿著海岸與巽他海溝平行發生了第一階段從66到48 Ma的岩漿噴發。隨後經過10 Ma的短暫休息(從48 Ma到23 Ma)後,第二階段的岩漿活動沿著整個蘇門答臘島的斷層線上噴發,從23 Ma到現今仍在活動。

作者:地球科學系 賴昱銘 教授
研究領域:地球化學/火山學/岩石學

研究區域:
1.琉球島弧系統:大屯火山群、基隆火山群、北方四島
2.呂宋島弧系統:東部海岸山脈、綠島、蘭嶼
3.巽他島弧系統:印尼蘇門答臘島、印尼爪哇島

參考文獻:
Lai, Y.-M., Liu, P.-P., Chung, S.-L., Ghani, A. A., Lee, H.-Y., Quek, L. X., Li, S., Roselle, M. H., Murtadha, S., Lintjewas, L., Iizuka, Y., 2023. Zircon U–Pb geochronology and Hf isotopic compositions of igneous rocks from Sumatra: implications for the Cenozoic magmatic evolution of the western Sunda Arc. Geological Society, London, Special Publications, 537 (1). https://doi.org/10.1144/SP537-2022-199.

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