大興安嶺第四紀(jì)火山地質(zhì)與地球化學(xué)研究

趙勇偉

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

大興安嶺第四紀(jì)火山地質(zhì)與地球化學(xué)研究

趙勇偉

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

前言

中國東部中-新生代以來火山活動頻繁,造就了綿延5000公里、寬達(dá)數(shù)百公里的陸相火山巖帶,新生代玄武巖主要沿中國東部大陸邊緣一系列北東向、北北東向的裂谷和斷陷盆地分布,東北火山巖區(qū)位于其北端,是我國重要的新生代火山分布區(qū)。20世紀(jì)80年代以來,我國在中國東部火山巖年代學(xué)和巖石地球化學(xué)研究方面取得豐碩成果,但迄今為止,大興安嶺地區(qū)因森林覆蓋,交通不便,其中隱藏的新生代火山(主要是第四紀(jì)火山)鮮為人知,調(diào)查研究工作進(jìn)展緩慢。當(dāng)今火山學(xué)科已經(jīng)成為集火山地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、災(zāi)害等學(xué)科于一體的綜合性交叉學(xué)科。本文以火山學(xué)理論為指導(dǎo),運(yùn)用地質(zhì)學(xué)、火山物理學(xué)和地球化學(xué)綜合研究方法,透視東北大興安嶺第四紀(jì)以來大陸板內(nèi)火山活動的基本特征和規(guī)律。論文主要研究以下科學(xué)問題:①火山活動的時(shí)空演化規(guī)律;②火山地質(zhì)特征反映出什么樣的活動特點(diǎn);③火山巖漿來源及其深部地球化學(xué)制約。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

大興安嶺第四紀(jì)火山區(qū)在區(qū)域上分為南區(qū)和北區(qū)兩個(gè)組成部分。南區(qū)的哈拉哈河-綽爾河火山區(qū)位于大興安嶺中段,橫跨內(nèi)蒙古自治區(qū)東部興安盟阿爾山市和呼倫貝爾市交界處。北區(qū)的諾敏河-奎勒河火山區(qū)地處大興安嶺北段,位于呼倫貝爾市東部鄂倫春自治旗境內(nèi)。

中生代該地區(qū)在大興安嶺隆起的背景下,發(fā)育有強(qiáng)烈的巖漿活動,以中酸性的巖漿侵位和噴發(fā)為主。在新生代中國東部大陸整體處于拉張構(gòu)造環(huán)境,日本?；『笈璧睾椭袊鴸|部裂谷系拉張的背景下,大興安嶺山體發(fā)生強(qiáng)烈隆升,并伴生有頻繁的玄武質(zhì)巖漿噴發(fā)活動。該地區(qū)地層主要為侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)火山巖系,其次為新生代地層。侵入巖主要為燕山早期二長花崗巖;火山巖分布廣泛,以中生代酸性火山巖分布最廣,新生代火山巖主要為堿性玄武巖。

2 火山地質(zhì)

2.1 火山活動歷史

哈拉哈河-綽爾河地區(qū)火山總體呈北東向帶狀分布,以熔巖流為主的火山產(chǎn)物呈連續(xù)帶狀分布于主要河流的河谷當(dāng)中。根據(jù)野外調(diào)查,確認(rèn)第四紀(jì)火山35座,熔巖流分布面積約400 km2。諾敏河-奎勒河火山區(qū)火山產(chǎn)物以熔巖流為主,呈片狀分布,根據(jù)野外調(diào)查確認(rèn)火山25座,熔巖流分布面積約600 km2。根據(jù)火山地質(zhì)特征、野外地層的新老覆蓋關(guān)系和巖石風(fēng)化程度等地質(zhì)特征,結(jié)合地質(zhì)測年數(shù)據(jù)對研究區(qū)的火山活動初步劃分為早更新世、中更新世、晚更新世和全新世4期。

早更新世玄武巖主要分布于北區(qū)的諾敏河果楞奇附近以及奎勒河宜里,火山產(chǎn)物主要是熔巖流,具有以下特點(diǎn):熔巖流找不到明顯的火山源頭;熔巖流構(gòu)成河流的二級階地,表面已經(jīng)被厚層的河流沖積物覆蓋,多被開墾為農(nóng)田;熔巖流不但被大的河流分割,也被更多的小型河流深度侵蝕切割為小的塊體;玄武巖風(fēng)化較嚴(yán)重,具球狀風(fēng)化特點(diǎn)。

中更新世火山產(chǎn)物在北區(qū)的諾敏河、奎勒河流域均有大量分布,占據(jù)著第四紀(jì)以來火山生成物的主體。哈拉哈河-綽爾河火山區(qū)內(nèi)約占總數(shù)3/4的火山形成于此時(shí)。熔巖流分布面積達(dá)近300 km2。諾敏河-奎勒河地區(qū)此時(shí)形成火山占總數(shù)的2/3,相應(yīng)的熔巖流分布面積達(dá)320 km2。火山產(chǎn)物具有以下特點(diǎn):保存大量火山碎屑錐及部分火山口,火山錐風(fēng)化程度相對較強(qiáng),其頂部濺落錐已被不同程度剝蝕,火山口被后期崩塌物質(zhì)及厚層腐質(zhì)土所充填;熔巖流被大的河流切割,構(gòu)成河流一級階地,巖石風(fēng)化程度較強(qiáng),多被林地覆蓋。

晚更新世火山產(chǎn)物在哈拉哈河-綽爾河地區(qū)主要是基爾果山天池火山、子宮山火山以及臥牛泡子火山、烏蘇浪子湖火山?；鹕綌?shù)目較少,熔巖流覆蓋面積只有不到40 km2。相應(yīng)的火山產(chǎn)物在諾敏河-奎勒河主要分布在畢拉河河谷附近厚層熔巖流的中-低層位,推測分布面積約150 km2。這一時(shí)期產(chǎn)物具有以下特點(diǎn):火山錐風(fēng)化程度相對較弱,火口較深、內(nèi)壁較陡,錐體頂部仍保存較完整的濺落錐;熔巖流風(fēng)化程度較弱,其上只有薄層土壤覆蓋;熔巖流侵占河道,未被河流侵蝕切割;松散、易風(fēng)化的射汽巖漿火山碎屑保存較完好,也是晚更新世火山活動的重要標(biāo)志之一。

全新世火山在南區(qū)哈拉哈河-綽爾河地區(qū)有焰山、高山、十號溝盆地火山、小東溝火山4座火山,熔巖流分布面積共計(jì)約100 km2。北區(qū)畢拉河上游的馬鞍山、達(dá)來濱湖通以及達(dá)來畢諾熔巖流屬于全新世火山產(chǎn)物,推測畢拉河下游河谷上部層位熔巖流也屬全新世產(chǎn)物,覆蓋面積約100～150 km2。全新世火山產(chǎn)物一般具有以下特點(diǎn):火山錐保存最為完好,一般錐體高大陡峻,火口具漏斗狀,內(nèi)壁陡峭易垮塌;錐體頂部仍保持火山噴發(fā)結(jié)束時(shí)的濺落堆積特征;熔巖流保持了剛冷卻時(shí)的形貌和流動構(gòu)造,表面很少有覆蓋層,樹木難以扎根,只在巖塊隙間有稀疏林木,裸露的石塘是全新世熔巖流的標(biāo)志性特征;火山產(chǎn)物尤其是大片的熔巖流對現(xiàn)代地形地貌進(jìn)行了明顯改造,熔巖流侵占阻塞河道,形成眾多火山堰塞湖。

根據(jù)火山活動期次可以恢復(fù)研究區(qū)火山活動歷史如下:早更新世時(shí)期諾敏河和奎勒河流域最先開始第四紀(jì)火山活動,這一時(shí)期火山活動強(qiáng)度不大,熔巖產(chǎn)出量不高,熔巖流分布在少數(shù)河谷中。中更新世時(shí),大興安嶺地區(qū)火山活動趨強(qiáng),無論是火山數(shù)量還是熔巖產(chǎn)量都占第四紀(jì)以來火山產(chǎn)物總量的1/2以上,火山產(chǎn)物既有火山錐又有熔巖流,這一時(shí)期的熔巖流分布范圍廣泛,產(chǎn)物遍布大的河流流域,構(gòu)成了整個(gè)火山區(qū)的雛形。晚更新世時(shí)期火山活動趨弱,火山產(chǎn)物占總量比例最低,火山活動范圍縮小,只局限于小范圍區(qū)域。進(jìn)入全新世,在繼承晚更新世火山活動區(qū)域的基礎(chǔ)上,火山活動又進(jìn)入另一個(gè)高峰期,爆破式噴發(fā)造就多座較大的火山碎屑錐,熔巖流分布廣泛。

2.2 火山噴發(fā)類型

區(qū)內(nèi)火山按照火山作用方式不同,可分為爆破式和溢流式兩種火山噴發(fā)方式。爆破式噴發(fā)產(chǎn)物按照爆破強(qiáng)度和方式分為低強(qiáng)度巖漿爆發(fā)形成的粗?；鹕剿樾级逊e、高強(qiáng)度巖漿爆發(fā)形成的細(xì)?；鹕剿樾级逊e;射汽-巖漿爆發(fā)形成的火山碎屑堆積。溢流式噴發(fā)形成的火山產(chǎn)物主要是熔巖流,其中包括渣狀熔巖,結(jié)殼熔巖,塊狀熔巖等,其中還發(fā)育有大量獨(dú)特的熔巖構(gòu)造。溢流式噴發(fā)產(chǎn)物主要是熔巖流,研究區(qū)內(nèi)熔巖類型多樣,結(jié)殼熔巖和渣狀熔巖分布面積較廣,另外在個(gè)別地方還發(fā)育塊狀熔巖。熔巖在流動及冷卻過程中形成噴氣錐、熔巖冢、熔巖擠入構(gòu)造、柱狀節(jié)理等地質(zhì)現(xiàn)象。

爆破式火山噴發(fā)有3種噴發(fā)類型:斯通博利型噴發(fā)、高山-焰山型噴發(fā)、射汽巖漿型噴發(fā),產(chǎn)生不同類型的碎屑堆積物。溢流式噴發(fā)以夏威夷型噴發(fā)為主,產(chǎn)物組成盾形火山和熔巖流。幾種噴發(fā)類型都屬巖漿噴發(fā)作用范疇,只有射汽-巖漿型噴發(fā)除外。

(1)斯通博利型。以低強(qiáng)度巖漿爆發(fā)形成的碎屑為主要特征,噴發(fā)形成的火山錐一般都是復(fù)式碎屑錐,濺落錐疊置于降落錐之上。碎屑集中在火口附近分布,構(gòu)成火山碎屑錐。其中的降落錐主要由火山渣、火山彈、熔巖餅組成,有時(shí)還有薄層熔巖流分布其中。火山碎屑粒度較粗,以1～5 cm為主。碎屑錐頂部的濺落錐由弱爆破下的火山彈、熔巖餅及少量熔巖等在高溫下重新焊結(jié)在一起,形成熔結(jié)集塊巖和碎屑熔巖?；鹕藉F的整體結(jié)構(gòu)反映出火山由初期低強(qiáng)度的爆破式噴發(fā)向后期溢流式噴發(fā)過渡的過程。

(2)焰山-高山型。本文提出焰山-高山型這種新的火山噴發(fā)型式。這種噴發(fā)以高強(qiáng)度巖漿爆發(fā)為主要特征,形成細(xì)?；鹕剿樾?這種碎屑?xì)饪讟?gòu)造非常發(fā)育,粒級較小,一般為2～10 mm的火山礫及2 mm以下的火山灰,與斯通博利型噴發(fā)碎屑相比,粒徑小得多?；鹕剿樾伎傮w上呈松散堆積狀態(tài),組成火山碎屑錐和空降火山碎屑席,這種噴發(fā)形成比斯能博利型火山更大的錐體,降落錐表層火山礫呈面狀平行于錐體斜坡面分布,火山周圍分布有面積較廣的與火山錐同期形成的火山碎屑席。根據(jù)火山產(chǎn)物推測火山噴發(fā)時(shí)火口之上形成了持續(xù)時(shí)間較長的高度較高的噴發(fā)柱,火山碎屑隨之上升到高空,最后降落在火山錐及周圍廣大范圍內(nèi),形成火山碎屑錐和空降火山碎屑席。

(3)夏威夷型。夏威夷型噴發(fā)以熔巖平靜溢流為特征,產(chǎn)物主要是廣泛分布的熔巖流。在火口周圍形成小型的單噴發(fā)成因盾形火山錐以及火口塌陷坑。盾形火山錐坡度低緩,一般小于5°,在平面上形狀為圓形或橢圓形,整體上形成盾形,組成物質(zhì)主要是多期熔巖流。火口塌陷坑的四周是近于直立的陡壁,反映出火山活動后期巖漿通道冷卻,密度增大,體積收縮,由于重力作用,造成火口塌陷。

(4)射汽-巖漿型。特征產(chǎn)物是基浪堆積物,有以下特點(diǎn):由灰黑色火山碎屑組成,粒徑以0.5～3 cm為主,其中還夾雜有大量的圍巖碎屑;平行層理、大型交錯層理、層理下陷等構(gòu)造發(fā)育,堆積物中有明顯的侵蝕面;分布范圍較廣,距火口可遠(yuǎn)至3 km;火口鄰近中生代破火口湖。這些特征說明這種噴發(fā)類型是玄武質(zhì)巖漿遇水后與水相互作用發(fā)生的射氣-巖漿爆炸。

2.3 火山成因湖泊

大興安嶺火山區(qū)內(nèi)湖泊眾多,都與火山作用有關(guān),之前無人對其做成因研究。本文系統(tǒng)對比不同形式的湖泊,根據(jù)它們與火山作用之間的關(guān)系,劃分出4種火山成因的湖泊:火山口湖、熔巖堰塞湖、低平火山口湖、熔巖塌陷湖。

2.4 火山系統(tǒng)

火山噴發(fā)過程不僅受控于巖漿因素(巖漿的物理和化學(xué)屬性),還受控于非巖漿因素,后者決定著火山的形態(tài)與規(guī)模。本文從火山形態(tài)學(xué)入手,分析控制火山噴發(fā)的非巖漿因素。

根據(jù)火口的多寡研究區(qū)內(nèi)火山碎屑錐分為單火口錐和多火口錐,按照錐體形態(tài)分為圓馬蹄形錐、長馬蹄形錐和圓形錐,研究區(qū)內(nèi)以馬蹄形碎屑錐為主。本文提出裂隙形的巖漿通道造成碎屑錐在建造時(shí)特定方向的不穩(wěn)定性,使該方向持續(xù)的垮塌,疊加熔巖流溢出破壞,從而形成馬蹄形錐體。圓馬蹄形錐體與長馬蹄形錐體受控于裂隙形巖漿通道,圓形錐的巖漿通道是管狀。多火口錐是由于裂隙巖漿通道在噴發(fā)過程中局部受巖漿冷卻,在同一裂隙通道中改變噴發(fā)位置而形成。

對比研究區(qū)內(nèi)57座火山錐體的形態(tài)描述參數(shù)(Wcr-火口直徑、Hco-錐體高度、Wco-錐底直徑)后得出Wco在130～2500 m之間,平均值為940 m,中值為810 m。其中碎屑錐Wcr/Wco在0.13～0.85之間,平均值為0.5,中值為0.49。Hco/Wbco在0.03～0.32之間,平均值為0.12,中值為0.11。熔巖盾錐Wco在300～2500 m之間,平均值為1170 m,中值為1000 m;Hco/Wbco在0.01～0.15之間,平均值為0.05,中值為0.04?；鹕藉F的Wcr-Wbco和Hco-Wbco都分別具有線性對應(yīng)關(guān)系,碎屑錐與熔巖盾在Wcr/Wbco和Hco/Wbco呈現(xiàn)明顯的不同。結(jié)果反映出熔巖盾在整體直徑上比碎屑錐大,而在錐體高度/錐底直徑上比碎屑錐小很多。

對火山錐形態(tài)的研究顯示研究區(qū)火山錐規(guī)模較小,形態(tài)也相對簡單,結(jié)合對火山機(jī)構(gòu)的研究,表明區(qū)內(nèi)火山為單次噴發(fā)成因,由一次噴發(fā)形成或相隔時(shí)間很近的少數(shù)幾次噴發(fā)即可形成。研究區(qū)的火山錐及熔巖流規(guī)模都相對較小,表明該地區(qū)火山系統(tǒng)的特點(diǎn)是巖漿的輸送率和巖漿的輸送頻率低。輸送率低造成單個(gè)火山的規(guī)模較小,巖漿輸送頻率低造成巖漿通道在一次火山活動之后很快冷卻固結(jié),下次巖漿活動只能重新開辟新的通道,表現(xiàn)在地表就是火山錐之間都有一定距離,火山噴發(fā)沒有沿相同的火山通道及火口,因此,研究區(qū)沒有出現(xiàn)大型復(fù)合式火山。

3 巖石地球化學(xué)特征

研究表明大興安嶺火山區(qū)南區(qū)與北區(qū)火山巖巖石學(xué)與地球化學(xué)特征呈現(xiàn)出顯著的區(qū)別。

哈拉哈河-綽爾河玄武巖為鈉質(zhì)系列堿性玄武巖,主要類型為堿性橄欖玄武巖?！芌EE為109.5～262.6 g/g,(La/Yb)N介于7.9～12.4之間,顯示輕重稀土的分異程度弱,大部分稀土配分曲線相互平行。δEu普遍大于1(0.92～1.07),呈弱的正異常。玄武巖在微量元素原始地幔配分圖中,大多樣品曲線相互平行且平滑,總體上表現(xiàn)出與O IB相似的特征,顯示出Ba、Nb、Ta的正異常,Rb、Th、U顯示弱的負(fù)異常。只是大離子親石元素(LIL)如Ba、Rb比OIB稍低,LREE也明顯低于O IB。M gO與Cr、Co、Ni都顯示出相同的線性正相關(guān),與Yb、Zr線性負(fù)相關(guān)。不相容元素如Rb、Ba、Th、U、La、Sr、Nd、Pb與Nb都呈良好的線性相關(guān)關(guān)系。南區(qū)玄武巖稀土和不相容元素配分曲線與大同玄武巖最為接近。Sr-Nd-Pb同位素投點(diǎn)都投在OIB范圍內(nèi),在中國東部新生代玄武巖中投在高143Nd/144Nd,低87Sr/86Sr,高206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb的一端,與大同及陽原新生代堿性玄武巖范圍接近。

諾敏河-奎勒河玄武巖屬于鉀質(zhì)系列堿性玄武巖,主要類型為堿玄巖和碧玄巖。∑REE為223.6～345.8 g/g,大部分樣品(La/Yb)N介于21.6～41.9之間,散布范圍較寬。δEu為0.84～0.96,呈弱的負(fù)異常。玄武巖不相容元素原始地幔配分曲線呈現(xiàn)特征性的Ba、Sr高正異常,Nb、Ta、Sr、Sm、La微弱正異常,Th、U、Zr、Hf微弱負(fù)異常。曲線的坡度相對較陡,顯示出強(qiáng)不相容元素與弱不相容元素間較高程度的分異。M gO與Cr、Co、Ni都顯示出相同的線性正相關(guān)。MgO與(La/Yb)N值表示出弱的正相關(guān)。不相容元素如Rb、Ba、Th、U、La、Sr、Nd、Pb與Nb都呈良好的線性相關(guān)關(guān)系,REE配分曲線及不相容元素原始地幔配分曲線介于漢諾壩玄武巖與五大連池玄武巖。

兩個(gè)地區(qū)相比,諾敏河-奎勒河玄武巖以相對高K、Na,富集大離子親石元素(尤其是Ba,Sr)及輕稀土為特征。而哈拉哈河-綽爾河玄武巖相對富HREE,更加接近O IB的特征。

一系列證據(jù)表明巖漿期后蝕變和地殼混染對研究區(qū)巖漿成分的影響不明顯,結(jié)晶分異也僅限于少量的單斜輝石和橄欖石分異。巖石地球化學(xué)性質(zhì)差異表明哈拉哈河-綽爾河火山區(qū)與諾敏河-奎勒河火山區(qū)巖漿源區(qū)明顯不同。

哈拉哈河-綽爾河玄武巖的REE和不相容元素配分曲線、Sr-Nd同位素、Nb/U、La/Nb、Ba/Nb都與O IB相近,證明中國東部與OIB源區(qū)性質(zhì)相近的軟流圈地幔在玄武巖起源中起著重要作用。另一方面,區(qū)內(nèi)玄武巖Ce/Pb明顯小于OIB及源于軟流圈地幔的大同堿性玄武巖,Ba/Nb和La/Nb之間存在弱正相關(guān),Sr同位素與Ce/Pb之間也表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān),這些證據(jù)表明巖漿源區(qū)是軟流圈與另一源區(qū)的混合。

諾敏河-奎勒河玄武巖具有低Ce/Pb、高Ba/Nb和La/Nb,遠(yuǎn)離O IB,與五大連池、二克山、科洛火山巖高度重合。推測巖漿來源與鉀質(zhì)交代地幔有關(guān)。

綜合以上證據(jù)表明,哈拉哈河-綽爾河玄武巖巖漿源區(qū)主要是軟流圈,巖漿在軟流圈與巖石圈界面處與巖石圈地幔底部發(fā)生相互作用。諾敏河-奎勒河玄武巖巖漿源區(qū)與變質(zhì)活化的底部巖石圈地幔有關(guān)。研究區(qū)內(nèi)軟流圈具有以下性質(zhì):Ce/Pb＞22.7,Ba/Nb＜7.30,La/Nb＜0.57,87Sr/86Sr＜0.7035;而巖石圈地幔底部Ce/Pb＜13.7,Ba/Nb＞28.3,La/Nb＞1.19。這兩種源區(qū)的不同的作用造成南北兩區(qū)玄武巖巖石和地球化學(xué)性質(zhì)的差異。

4 火山災(zāi)害

綜合地質(zhì)及地化證據(jù)表明,研究區(qū)內(nèi)軟流圈及巖石圈是巖漿的主要來源,目前該地區(qū)地幔和地殼結(jié)構(gòu)有利于巖漿的生成與噴發(fā),因此未來研究區(qū)有可能再次發(fā)生火山噴發(fā)。通過對研究區(qū)火山產(chǎn)物分析,推測未來主要火山災(zāi)害由火山噴發(fā)空降碎屑物、火山碎屑涌流、熔巖流、火山噴發(fā)氣體造成。

5 主要結(jié)論

大興安嶺第四紀(jì)哈拉哈河-綽爾河火山區(qū)(南區(qū))和諾敏河-奎勒河火山區(qū)(北區(qū))包括約1000 km2火山巖和60座火山,火山活動劃分為早更新世、中更新世、晚更新世和全新世4期。根據(jù)火山噴發(fā)特征及其噴發(fā)產(chǎn)物,提出大興安嶺第四紀(jì)火山分屬4種噴發(fā)類型:斯通博利型、高山-焰山型、夏威夷型和射汽-巖漿型,高山-焰山型為本文新提出的噴發(fā)型式。大興安嶺第四紀(jì)火山屬于單次噴發(fā)成因火山系統(tǒng),巖漿通道受構(gòu)造斷裂控制,巖漿輸送頻率和輸送速率比較低,非巖漿因素控制了火山的分布與形態(tài)。根據(jù)火山區(qū)內(nèi)湖泊與火山作用之間的關(guān)系,劃分出4種火山成因的湖泊:火山口湖、火山堰塞湖、熔巖塌陷湖和低平火山口湖(瑪珥湖)。在綜合資料基礎(chǔ)上,編制了大興安嶺南、北區(qū)兩幅火山地質(zhì)圖。

大興安嶺南區(qū)哈拉哈河-綽爾河和北區(qū)諾敏河-奎勒河玄武巖分別屬于鈉質(zhì)玄武巖和鉀質(zhì)玄武巖,它們都具有接近原始巖漿的高M(jìn) g#特征,巖漿上升過程中極少演化和受到地殼混染?；鹕綆r的REE、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素地球化學(xué)特征表明,大興安嶺南區(qū)哈拉哈河-綽爾河巖漿源區(qū)具有軟流圈與巖石地幔圈的混合特征,北區(qū)諾敏河-奎勒河巖漿起源與鉀質(zhì)交代地幔有關(guān)。

大興安嶺;第四紀(jì)火山;活動歷史;火山地質(zhì);地球化學(xué)

P317.2;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.08.007

(作者電子信箱,趙勇偉:zilongzhao1981@yahoo.com.cn)