天池火山千年大喷发的岩浆混合作用与喷发机制初步探讨

根据岩浆演化和地球物理深部探测,天池火山之下存在地壳和地幔双层岩浆房。地幔玄武质岩浆向地壳岩浆房的补给,保持了天池火山逾百万年持续不断的喷发活动。本文从天池火山千年大喷发浮岩中的玄武质粗安岩-粗安岩角砾和条带状岩浆的岩相学、矿物学和岩石化学研究,提出地幔的粗面玄武质岩浆向地壳岩浆房的注入,触发千年大喷发,初步探讨了天池火山千年大喷发的岩浆混合作用与喷发机制。

长白山天池火山粗面玄武岩的喷发历史与演化

本文新提出的年代学和岩石化学结果,进一步从天池火山与区域火山活动的关系,论述了天池火山造盾、造锥历史和岩浆结晶分异转型的时间约束,早更新世早期(2Ma前)开始粗面玄武岩的造盾,早更新世晚期(约1Ma)粗面玄武岩向粗安岩、粗面岩演化,中更新世是粗面岩造锥的主阶段,到了晚更新世(约0．1Ma)粗面岩向碱流岩演化。在中—晚更新世来自地壳岩浆房的粗面岩、碱流岩造锥过程中,来自地幔的粗面玄武岩浆喷发活动始终没有间断过。由于来自地幔粗面玄武质岩浆持续向地壳岩浆房补给,所以天池火山是一座长寿命的火山。岩浆的结晶分异作用和混合作用是天池火山岩浆演化的两个最重要过程,前者形成天池火山双峰式火山岩分布特征,后者成为天池火山喷发的触发机制。天池火山在晚更新世—全新世碱流质岩浆主喷发期兼有少量玄武质粗安岩、粗安岩或粗面质岩浆的交替喷出,揭示了天池火山的地壳岩浆房熔体的分层结构特点,由于来自地幔粗面玄武质岩浆注入地壳岩浆房,导致不同层位岩浆的扰动和混合作用,触发天池火山的喷发。

长白山天池火山双岩浆房岩浆作用与互动式喷发

广义的长白山火山在我国境内包括天池火山、望天鹅火山、图们江火山和龙岗火山,是我国最大的第四纪火山岩分布区。长白山各个火山区的火山活动具有此起彼伏的穿时性特征,天池火山之下地壳和地幔两个岩浆房具有上下呼应、互动式喷发之特点。一方面来自地幔的钾质粗面玄武岩浆直接喷出地表,在天池火山锥体内外形成诸多小火山渣锥;另一方面钾质粗面玄武岩浆持续补给地壳岩浆房,发生岩浆分离结晶作用和混合作用,形成双峰式火山岩特征并触发千年大喷发。西太平洋板块俯冲-东北亚大陆弧后引张是长白山天池火山喷发的动力学机制。

长白山天池火山千年大喷发的岩浆过程

千年大喷发是长白山天池火山最近的一次大规模爆炸式喷发活动。本文在天池火口及周边的地质调查中发现,千年大喷发存在碱流质和粗面质两套堆积物,且具有岩浆混合现象。进一步岩相学与地球化学研究,证实千年大喷发应存在先后两个喷发阶段,即碱流质喷发阶段(SiO_2,~75%)和粗面质喷发阶段(SiO_2,~65%)。同时,通过微量元素和斑晶特征等分析认为两阶段的岩浆来自于两个独立的岩浆房,岩浆房平衡温度分别为743℃和862℃,相应深度约为5km和7~9km。另外,根据条带状岩浆的混合特征,认为喷发过程中碱流质与粗面质岩浆混合发生在上升通道中,排除岩浆房内混合的可能性。最后根据喷发过程和岩浆特征,综合提出了千年大喷发的岩浆过程模型。本文对千年大喷发的喷发过程和岩浆过程取得的新认识,增进了对天池火山活动习性的理解。

熔体包裹体对长白山天池火山千年大喷发的指示意义

长白山天池火山在全新世曾有过几次喷发,其中距今约1000年发生过大规模布里尼式爆炸喷发(即"千年大喷发"),其喷发产物——灰白色碱流质浮岩和喷发柱垮塌形成的火山碎屑流分布范围极广,除长白山区外,在朝鲜半岛和日本北部也有大量浮岩降落和堆积。根据野外较大范围的系统采样、镜下观察和测试分析,在天池火山千年大喷发产物的碱性长石晶屑中发现了两组颜色、形态、化学成分迥异的"火口组"和"圆池组"熔体包裹体,对揭示天池火山千年大喷发的成因具有重要意义。根据电子探针分析结果,"火口组"熔体包裹体成分为英安岩和粗面英安岩,寄主晶多为透长石;"圆池组"熔体包裹体成分为粗面英安岩和流纹岩,寄主晶为歪长石。相对"火口组"熔体包裹体,"圆池组"包裹体具有高 SiO_2、高 H_2O 和高 Cl含量的特点,化学成分也更为演化,可能是天池火山千年大喷发时岩浆结晶分异后期的产物。两组包裹体的存在为千年大喷发前的层状地壳岩浆房和成分并非单一提供了证据,它们可能是在同次大喷发的不同序列中喷出的。由于地幔岩浆注入地壳岩浆房,导致不同层位岩浆的扰动和混合作用,因挥发分出溶在岩浆房最顶部形成挥发分梯度和过饱和,最终触发了天池火山的千年大喷发,对当时的气候环境造成过较大影响。

长白山天池火山喷发序列研究

长白山天池火山周边的11个钻孔资料揭示了长白山天池火山的喷发序列和岩浆演化过程。天池火山的喷发序列分为3个旋回:早期旋回喷发于上新世至早更新世,对应着周边地区的造高原喷发,天池火山熔岩盾主体开始形成,岩浆演化顺序是粗面玄武岩到粗面岩;中期旋回是早更新世的玄武岩浆演化到粗面岩和粗安岩(相当于小白山组);晚期旋回是从更新世到全新世,老房子小山组的玄武岩演化到白头山组粗面岩及碱流岩。在粗面质岩浆喷发过程中,有寄生火山的玄武质岩浆伴随喷发。全新世内天池火山千年大喷发主体由碱流质火山碎屑堆积物构成,松散堆积物的钻孔堆积层序表明,天池火山在全新世至少发生过两期巨型造伊格尼姆岩喷发。

长白山天池火山的岩石矿物学特征——对结晶分异过程和岩浆混合作用的启示

本文对天池火山玄武岩盾,粗面质-碱流质层状锥体以及顶部的粗面质-碱流质碎屑岩类及熔岩的岩石矿物成分做了系统分析,发现在玄武岩类中的主要矿物组合为斜长石、富钙辉石以及富镁橄榄石,而粗面岩-碱流岩类的主要矿物组合为碱性长石、富铁的辉石及橄榄石,并开始出现石英、独居石以及大量的铁钛氧化物,符合结晶分异的演化趋势。同时在玄武岩类及粗面-碱流岩类中均存在不平衡矿物,再结合矿物环带的成分变化、矿物的熔蚀现象及不同特征的岩石条带等,认为天池火山在黑石沟玄武岩、第一、三造锥阶段粗面岩以及千年大喷发的浮岩中均存在岩浆混合作用。根据岩石学及年代学等特征,认为不同时期的玄武质岩浆来自同一地幔源区,经不同程度的结晶分异作用形成,前造锥阶段及造锥阶段的岩石由不同阶段的玄武岩演化而来,全新世的碱流岩类则由造锥阶段粗面岩类演化而来。

长白山天池火山千年大喷发期后火山泥石流沉积特征及其源-汇响应关系

源于长白山天池地区的火山泥石流沉积可分为粗碎屑岩块(岩屑)泥石流和细碎屑浮岩泥石流,它们沿二道白河和松花江水系搬运的路径为从距天池火山口40km的三合水电站经过丰满大坝(360km)和吉林市(380km)到小白旗屯(450km),形成广泛的沉积区域。这两类火山泥石流的沉积成因有两种解释:一是形成于千年大喷发同期,是由一次性洪水事件搬运和沉积形成的;二是形成于千年大喷发期后经过多次搬运和沉积的产物。两个模式的共同问题是都没有考虑天池当时是否有水及其蓄水过程。后一模式在某种程度上,还回避了导致岩屑与浮岩两类泥石流频繁互层的沉积物源和水动力条件以及二者的转换机制,而这恰恰是关于泥石流沉积成因的基本要素。通过重新研究火山泥石流经典剖面(位于天池西北57.73km的水田村),作者发现本区火山泥石流沉积存在明显的物源剥蚀区与沉积堆积区的反剖面关系。即无论是粒径32~500mm的粗碎屑还是0.0625~16mm的细碎屑,成分自下而上(或沉积早期到晚期)呈现规律性变化:剖面下部的碎屑成分以浮岩为主(浮岩在物源区位于顶部),向上粗面岩和玄武岩明显增多(在源区它们位于浮岩之下),而沉积序列上部的碎屑成分是在物源区处于较深层位的岩脉辉绿岩和基底流纹岩。整个序列碎屑成分的沉积分异特征明显。沉积构造和岩相组合特征显示,该火山泥石流剖面的下部和上部碎屑粒度细、分选较好、成层性好、水平状层理发育,主要表现为环境较为稳定的以地面径流为主的河流相和末端扇相背景沉积;中部粒度粗、成层性差、主要表现为突发性洪水作用导致的洪积相事件沉积。沉积序列中频繁出现的冲刷面构造指示水流强度曾出现周期性的快速增加。自下而上冲刷面规模由小变大再变小,指示水流强度由弱变强再变弱。为了探讨天池的积水条件和蓄水过程,作者基于达西定律和质量守恒原理,模拟计算降水量、蒸发量、地表径流量、火山机构整体的平均渗透率和天池积水速率之间的关系。结果显示,当天池火山机构平均渗透率高于6m D(毫达西)时,天池地区降水量减蒸发量即使高达2000mm/y,水亦会全部渗流而出,因此天池不存在积水环境。当降水量减蒸发量小于1500mm/y时,则天池火山体平均渗透率需要小于4m D,天池才可能在200年之内集满现今的水量。当天池降水量减蒸发量小于1000mm/y时,天池火山体平均渗透率需要小于2.5m D,天池才可能在200年之内集满现今的水量。将水田村火山泥石流沉积序列与天池蓄水过程计算结果加以对比,我们提出本区火山泥石流沉积序列的另一种成因解释:(1)这是形成于千年大喷发之后的以地面径流或河流为主的背景沉积与洪水导致的突发性事件沉积互层的序列;上部和下部的细碎屑层主要表现为背景沉积,中部的粗碎屑岩块泥石流主要表现为洪流事件沉积。(2)下部的背景沉积可能对应于天池千年大喷发之后的持续积水过程,时间可能不少于200年;而上部的背景沉积则对应于本区的水系和地貌逐渐稳定并接近于现今条件的稳定型河流沉积。结合天池北坡和西坡古老树木年轮指示的沙松冷杉生长年代(公元1749-1768)同时考虑松柏类植物对水系和地貌稳定性较为敏感等因素,推测上部沉积环境趋于稳定的时间应该不晚于公元十八世纪初。

火山通道岩浆流动动力学模型在天池火山喷发过程中的应用

在圆柱形火山通道的下部,岩浆上升速度与岩浆粘度、密度及压力有关。这时的流体动力学过程可以应用一般的牛顿流体模型。火山通道中部气泡化岩浆上升时,液相和气相的转化符合质量守恒方程,混合相总体符合动量守恒方程。其中气泡形成与生长过程符合达西定律与数密度方程。在火山通道靠上部的碎屑化带里,不同组分符合质量守恒方程,混合相总体符合动量守恒方程。天池火山千年大喷发时,通道直径是62m。岩浆房内的岩浆含有约3%体积百分数的气泡,气泡体积在65%时岩浆破碎,颗粒离开通道时的速度是145ms^(-1),而气体离开通道时的速度是170ms^(-1)。气体颗粒分散相出口压力是12.2MPa。在破火山口塌陷之前,岩浆房内气泡体积可高达30%～40%。与此同时,碎屑化发生时岩浆的孔隙度也增加到70%～75%左右。这时的出口压力降低至7～8MPa,出口气体速度增加到180ms^(-1)。气象站碱流质寄生火山喷发对应的喷发通道直径是40m,喷发以气体出口速度15～25ms^(-1)的弱爆破性喷发和侵出式喷发为特征。这时浮岩的孔隙度比千年大喷发的孔隙度低,为48%～61%,而浮岩密度高,为1.01～1.35gcm^(-3)。在侵出相喷发时最高释放率可以达到42m^3s^(-1)(致密岩石当量 DRE),孔隙度变化范围是70%～80%。

长白山天池火山研究进展

长白山天池火山距今４１０５年以来至少发生过两次大规模喷发。其最近的一次大喷发发生于公元８５０～１０４０年间。估计了这次喷发的喷发物体积和Ｃ１，Ｆ，Ｓ等的释放量。数值模拟表明，该次大喷发对全球气候变化产生过重要影响，最近的地球物理探测结果显示，在该火山下面存在地壳和上地幔双层岩浆房。认为该火山现在仍是一座具潜在灾害性大喷发危险的现代活动火山。

长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积相特征

发生于公元946年的长白山天池火山千年大喷发(Millennium Eruption,ME)形成的火山碎屑堆积物体积高达100~172km3,并可分为大规模的ME-Ⅰ和小规模的ME-Ⅱ两个喷发阶段。通过对围绕长白山天池火山53个典型露头剖面进行火山地质测量(单元构成、垂向堆积序列和堆积特征),结合筛析法粒度分析、偏光显微镜成分分析,刻画了长白山千年大喷发火山碎屑流堆积物特征,探讨了相和亚相划分,并建立了火山碎屑流搬运和堆积模式。根据火山碎屑的堆积特征,将长白山千年大喷发火山碎屑流堆积分为峡谷充填火山碎屑流相(包括块状峡谷充填亚相和层状峡谷充填亚相)和火山碎屑流冲击扇相(包括扇头亚相和扇体亚相)等两相四亚相。峡谷充填火山碎屑流相主要发育在天池火山锥体周缘距离喷发中心8~23km左右范围内(坡度在15°~60°之间)的火山U型谷中;火山碎屑流冲积扇相主要发育在距离喷发中心23~45km左右范围内,地形相对平缓的熔岩台地处(坡度在5°~15°之间),火山碎屑流的搬运不受地形限制,一般形成较大纵横比扇状堆积。块状峡谷充填亚相和扇体亚相以块状混杂堆积为主要特征,而层状峡谷充填亚相和扇头亚相则以多火山碎屑流单元垂向叠加为主要特征。多单元叠加现象是由搬运过程中火山碎屑流单元发生分离增生作用形成。根据火山碎屑流的最大分布范围和厚度,如果再次发生与长白山千年大喷发类似规模的普林尼式喷发,至少距长白山天池火山喷发中心45km范围内具有巨大的火山碎屑流灾害风险。该研究有利于进一步深入认识长白山千年大喷发火山碎屑流堆积物的空间分布特征和相变规律,对火山碎屑喷发灾害的预防具有指导作用。

长白山天池火山千年大喷发2期空降浮岩对比

长白山天池火山的喷发历史和喷出物层序一直以来是人们关注的焦点。目前,对于千年大喷发以来空降堆积物,尤其是灰白色空降浮岩层之上的粗面质杂色空降浮岩的地层划分仍具有较大争议。文中通过对野外地层的详细观察,对2层空降浮岩层进行对比研究,发现两者之间没有沉积间隔,认为2期空降浮岩均应划分为千年大喷发的喷发物。下部赤峰期灰白色空降浮岩成分较为均一,呈棱角状,正粒序,分选较好;上部圆池期喷发为脉动式喷发,岩性为富土黄色浮岩和富黑色浮岩颗粒互层,浮岩呈棱角状,粒序不明显,分选较好。2期浮岩粒度呈正态分布,在中值和分选系数图中均投点于空降堆积区内。浮岩内斑晶以长石和辉石为主,但圆池期黑色浮岩内斑晶含量略高。赤峰期空降浮岩为灰白色碱流质,气孔较大,连续贯通,气孔壁薄。圆池期土黄色空降浮岩为粗面质,气孔连通,气孔壁略厚;黑色浮岩颗粒成分虽然也投点为粗面质,但Si O2含量明显较低,气孔度低,气孔壁厚。圆池期喷发强度较赤峰期喷发强度弱。多种岩浆成分说明长白山天池火山下具有复杂的岩浆系统,多种岩浆可能以分层的形式存在,赤峰期仅喷出了上部的碱流岩,圆池期的脉动式喷发喷出了不同层位的岩浆。

长白山天池火山气象站期碱流岩辉石环带混沌吸引子的发现及意义

火山岩中矿物的成分环带中蕴含着其生长过程中岩浆成分和温压等物理状态的变化信息,对研究岩浆演化和火山喷发动力过程非常重要.长白山天池火山气象站期碱流岩辉石具有明显的环带结构,其成因尚未讨论.本文通过了辉石环带的电子探针分析,发现MgO和Na_2O等元素的相对含量呈剧烈的振荡形态.同时,利用非线性时间序列分析的方法,对MgO元素沿辉石环带成分进行了相空间重构的探索性研究.结果发现,辉石环带成分时间序列的相空间吸引子为混沌吸引子.这说明辉石斑晶在生长时所处的系统具有高的自由度和高度的复杂性,其结晶和生长时周围岩浆的成分是高度非稳态和不平衡的.我们认为是岩浆房补给混合和热对流作用过程导致辉石所处的岩浆成分在高MgO、低MgO之间激烈振荡变化,形成了辉石环带成分的剧烈振荡.而这些补给-混合-对流的过程可能最终导致岩浆房超压而发生溢流喷发.