潘 波 樊祺誠(chéng) 仲?gòu)V培 許建東 萬(wàn) 園

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)長(zhǎng)白山天池火山監(jiān)測(cè)站，吉林安圖 133613

0 引言

位于吉林省東部中朝邊境線上的長(zhǎng)白山天池火山是一座大型的復(fù)合式火山，同時(shí)也是一座最具潛在噴發(fā)危險(xiǎn)的活火山(劉若新等，1992，1996，2000;劉嘉麒，1995，1999;金伯祿等，1994)。特別是在2002—2006年之間發(fā)生了一系列的火山擾動(dòng)事件之后，更引起了包括中國(guó)在內(nèi)的整個(gè)東北亞地區(qū)的高度關(guān)注，各國(guó)政府和學(xué)者也開(kāi)展了大量相應(yīng)的研究工作(高玲等，2006;季靈運(yùn)等，2009;Xu et al.，2012)。

長(zhǎng)白山天池火山的噴發(fā)活動(dòng)始于早更新世，先后經(jīng)歷了鉀質(zhì)粗面玄武巖的造盾階段，粗面－堿流質(zhì)熔巖的造錐階段和晚更新世以來(lái)的爆炸式噴發(fā)3個(gè)階段(劉若新等，1998;樊祺誠(chéng)等，2007;Wei et al.，2007)。晚更新世或全新世以來(lái)，根據(jù)噴發(fā)物堆積層序與特征，一些研究者認(rèn)為長(zhǎng)白山天池火山存在3期大規(guī)模的噴發(fā)活動(dòng)，分別是以黃色空降浮巖堆積物為特征的天文峰期，以氣象站寄生火口噴發(fā)堆積為特征的氣象站期和以灰白色空降浮巖和碎屑流為特征的千年大噴發(fā)期(劉祥等，2004;劉強(qiáng)等，2008)。氣象站期噴發(fā)是介于2期大規(guī)模的爆炸式噴發(fā)活動(dòng)之間的一期小規(guī)模的噴發(fā)事件，但在前人有關(guān)此期噴發(fā)類(lèi)型的研究中，不同學(xué)者持有了不同的觀點(diǎn)(劉若新等，1998;李霓等，1999;劉永順等，2007)。

本文從巖石化學(xué)成分、野外露頭與剖面特征、火山結(jié)構(gòu)和顆粒形態(tài)等方面研究了氣象站期噴發(fā)的類(lèi)型。

1 氣象站期噴發(fā)物分布與前人研究情況

長(zhǎng)白山天池火山氣象站期噴發(fā)活動(dòng)是長(zhǎng)白山天池火山晚更新世或者全新世以來(lái)一次重要的噴發(fā)事件。此期噴發(fā)的時(shí)代目前尚無(wú)定論，測(cè)年數(shù)據(jù)表明，此期噴發(fā)活動(dòng)在距今4～190ka(尹功明等，1999;劉嘉麒等，1999;孫春強(qiáng)等，2008)。此期噴發(fā)的產(chǎn)物堆積于天池火口北側(cè)的錐體上，長(zhǎng)約5.4km，寬400～800m，厚50～150m(劉祥等，2004;聶保鋒，2006;史延升，2007;潘波等，2011)。噴發(fā)產(chǎn)物在遙感影像上清晰可見(jiàn)，噴出的火口位于現(xiàn)在的長(zhǎng)白山天池氣象觀測(cè)站處，噴出的物質(zhì)沿天池錐體北側(cè)分布，形成一條狹長(zhǎng)的蛇狀巖壟，在形貌上極似一條溢流式的熔巖流(圖1)。

圖1 氣象站期噴發(fā)物的遙感影像與野外采樣點(diǎn)Fig.1 Remote sensing image of the products of Qixiangzhan eruption and field sampling points.

由于氣象站期噴發(fā)物位于天池火山錐體北側(cè)，旅游公路的兩側(cè)，工作條件良好，所以前人開(kāi)展了大量的研究工作，但不同的學(xué)者卻存在不同的觀點(diǎn)，特別是對(duì)此期的噴發(fā)類(lèi)型的看法上不一致。劉若新等(1998)和樊祺誠(chéng)等(1999)認(rèn)為此期噴發(fā)物是由噴發(fā)的熾熱火山碎屑物快速凝聚黏合在一起后，再經(jīng)地表流動(dòng)形成的碎成熔巖。李霓等(1999)認(rèn)為氣象站期噴發(fā)是一套小規(guī)模以熔巖溢流活動(dòng)為主的熔巖－碎屑巖流。劉永順等(2007)通過(guò)野外火山堆積物的相分析、巖石顯微構(gòu)造鑒定和造巖礦物化學(xué)分析，認(rèn)為氣象站期是一套典型的溢流熔漿冷卻固結(jié)所形成的熔巖流，而不是碎成熔巖。這諸多的爭(zhēng)議影響了對(duì)天池火山未來(lái)噴發(fā)類(lèi)型與火山災(zāi)害的預(yù)測(cè)。

2 氣象站期噴發(fā)物的巖石化學(xué)特征

由于氣象站期噴發(fā)事件在長(zhǎng)白山天池火山研究中具有重要意義，同時(shí)此期噴發(fā)物所處位置也易于采集樣品，因此積累了大量的研究資料。本文收集了前人測(cè)試的27個(gè)氣象站期巖石的全巖成分，分別為史延升等(2007)測(cè)試的數(shù)據(jù)14個(gè)，鄭祥身(1983)4個(gè)，劉祥等(2004)3個(gè)，以及其他人測(cè)試數(shù)據(jù)9個(gè)。在本次工作中，筆者也采集了大量樣品，并分析了部分代表性巖石樣品(13個(gè))的全巖成分，數(shù)據(jù)如表1。相比前人測(cè)試的數(shù)據(jù)，本次測(cè)試樣品的位置分布更廣，涵蓋了更多噴發(fā)堆積物的前緣部分(圖1)。

表1 氣象站期噴發(fā)物巖石化學(xué)成分表Table 1 Chemical composition of products of Qixiangzhan eruption.

將上述巖石化學(xué)成分投影在TAS分類(lèi)圖上發(fā)現(xiàn)，此期噴發(fā)物主要為堿性流紋巖(圖2)。從表1的數(shù)據(jù)可以看出，氣象站期巖石的地球化學(xué)特點(diǎn)是:巖石樣品的SiO2均＞71%，平均為72.3%，屬于SiO2過(guò)飽和巖石;Na2O+K2O＞9.09%，平均為9.97%，且Na2O＞K2O，而Al2O3含量平均值為11.4%，含量相對(duì)較低。綜上可知，此期噴發(fā)物為鈉質(zhì)堿性流紋巖(Liz et al.，2009;徐夕生等，2010)。另外，從巖石手標(biāo)本及巖石薄片中可看出，其晶屑含量約50%，主要為歪長(zhǎng)石、鈣鐵輝石、石英等，所對(duì)應(yīng)的巖漿黏度極高，流動(dòng)性極差，且?guī)r漿中的氣體不易逸出。據(jù)此分析，氣象站期噴發(fā)為爆炸式的可能性較大，而溢流式噴發(fā)的可能性較小(Haraldur et al.，1999)。

3 氣象站期爆炸式噴發(fā)的野外地質(zhì)證據(jù)

氣象站期噴發(fā)物的分布貌似一條熔巖流，但對(duì)自火口至前緣的整個(gè)區(qū)域的野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此期噴發(fā)物的堆積形式為許多薄板的疊合，這一特點(diǎn)與高黏度的流紋巖的塊狀或者渣狀特征不相符(Liz et al.，2009;徐夕生等，2010)。圖3a為火口東側(cè)剖面出露的噴發(fā)物堆積照片，圖3c與3d為堆積層的垂向與平面上的照片。薄板厚3～8cm，主要為灰白色的火山碎屑物熔結(jié)而成，火山碎屑粒徑不均一。薄板成層性較好，近于平直，但受下伏面的影響而波動(dòng)較大。薄板層的中部比邊緣部分熔結(jié)程度高，且顆粒相對(duì)均勻，中部的顆粒熔結(jié)為一體，孔隙少而致密。薄板邊緣部分，特別是兩薄板之間部分，含有大量的粉末狀顆粒，局部大的碎屑顆粒粒徑達(dá)20cm，這些顆粒同時(shí)影響了上覆降落堆積物的形態(tài)，造成了上覆薄板層的局部彎曲。圖3b為氣象站期噴發(fā)物中部的照片，可見(jiàn)自底部向上也均為薄板層狀疊積，此處堆積物總厚度約80m，層理同火口附近相似，均為多層薄板的疊合。

圖2 氣象站期巖石化學(xué)成分的TAS投圖Fig.2 TAS diagram of petrochemistry of Qixiangzhan eruption products.

圖3 氣象站期噴發(fā)野外地質(zhì)露頭Fig.3 Outcrop of the Qixiangzhan eruption products.

另外，在火口東側(cè)的剖面中發(fā)現(xiàn)大量火焰狀構(gòu)造，這是爆炸式噴發(fā)的有力證據(jù)?；鹕綆r中火焰狀構(gòu)造的成因是，爆炸式噴發(fā)出的未固結(jié)巖漿團(tuán)濺落后在重力等因素的作用下形成了較周?chē)鷰r石更致密的熔巖(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005;徐夕生等，2010)。在火口東側(cè)剖面中可見(jiàn)不同級(jí)別的火焰狀構(gòu)造，最大的火焰狀體長(zhǎng)軸幾十m，厚度1～2m，似熔巖層狀，但其特點(diǎn)是兩側(cè)尖滅而不連續(xù)，不形成獨(dú)立的一層，而被大量的火山碎屑巖塊所包裹(圖4a)。如此大的火焰體可能為炙熱漿屑堆積重新熔融而成，或者巖漿沿堆積碎屑的薄弱處擠入而形成局部致密條帶。圖4b為小型的火焰狀構(gòu)造，長(zhǎng)度幾cm至數(shù)十cm，厚度不均一，因受周邊碎屑堆積物的擠壓限制而形態(tài)各異。

圖4 氣象站期堆積物中的火焰狀構(gòu)造Fig.4 The flame structure in the deposits from the Qixiangzhan eruption.

4 晶屑破碎特征與孔隙形態(tài)

在不同噴發(fā)類(lèi)型和噴發(fā)環(huán)境中，火山巖的結(jié)構(gòu)與顆粒形態(tài)具有不同的特征。如溢流式熔巖中，因?yàn)闆](méi)有大的爆炸破壞力的作用，所以晶屑顆粒保存相對(duì)完整，晶屑邊緣受流動(dòng)中的摩擦和巖漿的熔蝕作用而相對(duì)圓滑(圖5)(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005)。氣象站期噴發(fā)物中含有高達(dá)50%以上的晶屑，主要為長(zhǎng)石，含量約為90%，少量鈣鐵輝石、鈉鐵閃石、霓石和石英等晶屑(聶保鋒，2006;史延升，2007;潘波等，2011)。對(duì)野外采集的氣象站期巖石標(biāo)本的薄片進(jìn)行了偏光顯微鏡和體視鏡下觀測(cè)，主要研究其巖石結(jié)構(gòu)、顆粒形貌與孔隙形態(tài)。

氣象站期噴發(fā)堆積物的結(jié)構(gòu)主要為斑狀結(jié)構(gòu)、聚斑結(jié)構(gòu)和球粒結(jié)構(gòu)。斑狀結(jié)構(gòu)和聚斑結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為噴出的巖漿快速冷卻而形成的火山玻璃和巖漿房中形成的大量大顆粒晶屑共存。球粒結(jié)構(gòu)主要為巖漿爆炸噴發(fā)冷凝所形成的火山玻璃經(jīng)脫?；缶哂械囊环N結(jié)構(gòu)，這是巖漿快速冷卻的一個(gè)重要標(biāo)志(劉永順等，2007;潘波等，2011)。而在氣象站期巖石中未發(fā)現(xiàn)明顯的流紋結(jié)構(gòu)，流紋結(jié)構(gòu)是巖漿以溢流式噴發(fā)所對(duì)應(yīng)的流紋巖所具有的特征結(jié)構(gòu)。

圖5 溢流式噴發(fā)熔巖中的晶屑形態(tài)Fig.5 Phenocryst shape of lava flow by effusive eruption.

氣象站期噴發(fā)物中晶屑顆粒形態(tài)具有典型的爆炸式噴發(fā)的特征(圖6)。顯微鏡下觀測(cè)長(zhǎng)石晶屑通常為柱狀，雙晶很發(fā)育，而在氣象站期巖石中長(zhǎng)石晶屑碎裂嚴(yán)重，破碎的顆粒大小不一，散亂無(wú)序地分布。破碎的晶屑棱角尖銳，邊緣平直，無(wú)熔蝕磨圓等現(xiàn)象，晶屑碎屑表面具有明顯的爆炸噴發(fā)所形成的炸裂痕。如圖6b，c中所示，長(zhǎng)石晶屑炸裂形成的碎屑呈尖銳的棱角狀，無(wú)磨蝕或熔蝕現(xiàn)象，這與圖5中的溢流式噴發(fā)形成的長(zhǎng)石晶屑的形態(tài)截然不同(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005)。

圖6 氣象站期巖石晶屑顆粒形態(tài)Fig.6 Phenocryst shape in the Qixiangzhan eruption products.

氣孔是火山巖中巖漿脫氣形成的一種特征現(xiàn)象(Sumner et al.，2007)。利用體視鏡和偏光顯微鏡分別對(duì)氣象站期巖石的手標(biāo)本和薄片進(jìn)行了氣孔觀測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巖石中的空隙是爆炸噴發(fā)的碎屑顆粒堆積形成的孔隙，而不是由于巖漿中脫氣作用形成的氣泡。鏡下薄片中孔隙形態(tài)各異，形狀不規(guī)則，有的呈樹(shù)枝狀，且邊緣凹凸不平(圖7a)。而溢流噴發(fā)所形成的氣孔在鏡下通常為橢圓狀或杏仁狀，邊緣平滑(圖7b)。另外，在體視鏡下對(duì)巖石手標(biāo)本的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，爆炸噴發(fā)所形成的碎屑相互堆積，具有典型的顆粒支撐結(jié)構(gòu)，與溢流所形成的致密塊狀或渣狀大不相同(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005)。

圖7 氣象站期巖石的孔隙形態(tài)(a)與溢流噴發(fā)的氣孔形態(tài)(b)Fig.7 Porosity shape of the Qixiangzhan eruption products and pores shape of lava flow by effusive eruption.

5 討論

爆炸式與溢流式噴發(fā)是火山噴發(fā)活動(dòng)的2個(gè)典型類(lèi)型，是2種截然不同的噴發(fā)形式。一座大型的復(fù)合式火山，在不同的巖漿演化階段和噴發(fā)環(huán)境下，常存在噴發(fā)類(lèi)型的交替或復(fù)合式的噴發(fā)活動(dòng)。長(zhǎng)白山天池火山的巖漿演化自早更新世的玄武質(zhì)噴發(fā)開(kāi)始，逐步演化為粗面質(zhì)巖漿，至全新世成為高黏度的堿性巖漿，噴發(fā)模式也從初期的溢流式噴發(fā)為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸ㄊ絿姲l(fā)為主的噴發(fā)。氣象站期噴發(fā)的巖漿成分處于巖漿演化晚期的高黏度的堿性巖漿，在理論上噴發(fā)類(lèi)型是爆炸式噴發(fā)的可能性更大，而溢流式的噴發(fā)概率小。

氣象站期噴發(fā)物在遙感形貌上似一條熔巖流，但在剖面上見(jiàn)到的是薄層板狀結(jié)構(gòu)，且在薄層之間含有大量的未熔結(jié)的火山碎屑物顆粒，此種結(jié)構(gòu)用噴泉式爆炸噴發(fā)堆積的模式解釋更為合理，即薄層為小規(guī)模的強(qiáng)爆炸噴發(fā)產(chǎn)生的細(xì)小碎屑顆粒堆積所形成。溢流式噴發(fā)通常為塊狀致密結(jié)構(gòu)或者渣狀構(gòu)造，特別是由高黏度的堿性巖漿溢流所形成的堆積更多為厚層，而不是具有多層的平直薄層結(jié)構(gòu)。野外的堆積特征更進(jìn)一步說(shuō)明氣象站期噴發(fā)類(lèi)型為爆炸式噴發(fā)。

對(duì)巖石薄片和手標(biāo)本的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，氣象站期巖石中晶屑顆粒破碎，邊緣平直且棱角分明，碎屑痕十分發(fā)育，這是強(qiáng)爆炸產(chǎn)生的爆炸力將晶屑炸碎所形成。手標(biāo)本在體視鏡下可觀察到由細(xì)小巖漿碎屑堆積形成的顆粒支撐結(jié)構(gòu)，具有不規(guī)則的孔隙。這些特征均與溢流式噴發(fā)產(chǎn)生的巖石結(jié)構(gòu)不相符。這更進(jìn)一步說(shuō)明了氣象站期噴發(fā)類(lèi)型為爆炸式而非溢流式。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山天池火山氣象站期巖石的巖石化學(xué)組成、野外露頭特征、巖石結(jié)構(gòu)與顆粒形貌的綜合研究，認(rèn)為此期活動(dòng)的噴發(fā)類(lèi)型為小規(guī)模的強(qiáng)爆炸式噴發(fā)，所形成的堆積物為流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r，而不是以往認(rèn)為的碎成熔巖或溢流式流紋巖。另外，根據(jù)氣象站期噴發(fā)類(lèi)型確定，長(zhǎng)白山天池火山晚更新世或全新世以來(lái)的3次大規(guī)模的噴發(fā)活動(dòng)均為爆炸式噴發(fā)，而不是以前所認(rèn)為的爆炸式－溢流式－爆炸式的噴發(fā)模式。這對(duì)今后長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害的預(yù)測(cè)與預(yù)警工作具有重要的意義，即未來(lái)可將更多的災(zāi)害預(yù)防工作放到如何應(yīng)對(duì)爆炸式噴發(fā)的火山災(zāi)害上。

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