火山噴發(fā)物的顯微構造研究及其地質意義

于紅梅

（中國地震局地質研究所，北京 100029）

火山噴發(fā)物及其顯微結構特征記錄了噴發(fā)之前巖漿體中物理、化學過程的信息，噴發(fā)時的爆炸程度、巖漿與地下水的相互關系、在地表的侵位方式（如熔巖流、火山灰空降或火山碎屑流），以及在噴發(fā)后期風化特征等有關信息。因此，通過對火山噴發(fā)產物的顯微構造研究，可以獲得許多由宏觀研究所無法獲得的有關巖漿噴發(fā)前、噴發(fā)期間和噴發(fā)后的作用過程的重要信息。本論文將顯微構造分析方法，尤其是定量研究方法，應用到火山學研究中。本次對騰沖的黑空山火山、打鶯山火山、馬鞍山火山、龍崗的南龍灣火山和長白山天池火山的噴發(fā)產物進行了顯微構造研究，并通過這些火山噴發(fā)產物的微觀特征來探討這幾個活動火山的噴發(fā)層序、類型和機制，以及火山噴發(fā)的運動學和動力學特征，為火山災害預警提供一定的科學依據。

1 研究內容及方法

1.1 關于騰沖火山熔巖的研究

騰沖火山熔巖研究的內容包括熔巖的顯微結構、斑晶、基質和包體的分析：① 首先把采集的樣品切制成薄片，利用光學顯微鏡觀察熔巖的結構和礦物組成，并進行定性的描述；②對熔巖樣品進行全巖化學分析，并對其中的基質和典型斑晶成分進行電子探針分析，判斷熔巖和斑晶的成分類型；③ 測量熔巖中斑晶的含量和大小，基于晶體大小分布（CSD）理論，計算晶體大小分布及CSD參數，討論其反映的巖漿運動學和動力學特征；④ 對熔巖中的微晶進行CSD統(tǒng)計分析，討論其反映的巖漿活動特征；⑤觀察熔巖中的包體的顯微結構特征，進行電子探針測試，計算包體的平衡溫度和壓力，分析其形成原因及反映的地質意義。

1.2 關于龍崗南龍灣火山碎屑的研究

龍崗南龍灣火山碎屑的研究內容包括碎屑的粒度及形貌特征分析：① 首先是利用粒度篩分儀對碎屑進行粒度篩分，統(tǒng)計粒度分布特征，計算粒度參數和粒度分維值；② 對每一級的顆粒切制成薄片，在光學顯微鏡下觀察其礦物組成和形貌特征，并進行詳細的描述；③ 在體視鏡下觀察顆粒的形貌及礦物成分，挑選代表性碎屑顆粒；④ 把挑選的碎屑顆粒進行掃描電鏡（SEM）分析和能譜（EDX）分析，觀察碎屑的表面結構特征并測定碎屑的成分；⑤ 結合碎屑粒度分布、顯微形貌特征、表面結構和成分討論火山噴發(fā)機制及特征。

1.3 關于長白山天池火山千年大噴發(fā)空降碎屑的研究

長白山天池火山千年大噴發(fā)空降碎屑的研究內容包括：① 首先對碎屑進行粒度篩分；②拍攝不同粒度下碎屑的形貌圖像，利用Photoshop軟件對圖像進行處理；③利用NIH Image軟件統(tǒng)計碎屑形貌參數，討論不同粒徑下形貌參數的變化；④ 計算不同形貌參數下碎屑最終沉降速度和擴散范圍，進而探討碎屑顆粒形貌對最終沉降速度和擴散范圍的影響。

2 研究結果

2.1 騰沖火山熔巖研究結果

通過對騰沖黑空山、馬鞍山和打鶯山火山熔巖的化學成分分析、顯微結構分析和斜長石斑晶大小分布分析（CSD）等，得到了以下主要結論。

2.1.1 關于黑空山火山熔巖顯微結構的研究

通過對騰沖黑空山火山熔巖化學成分和顯微結構的分析，得到以下主要結論：

（1）根據全巖化學成分，黑空山第I期熔巖為玄武質粗安巖，第Ⅱ～Ⅳ期熔巖為粗安巖。此外，還發(fā)現一些熔巖為粗面巖，按正常巖漿的演化序列應為最后一期（第Ⅴ期）熔巖。該3種巖石類型的熔巖具有3種不同的結構類型，表現為斑晶類型、含量、大小，以及基質的成分和結構的不同，反映了巖漿房內物理環(huán)境的變化。

（2）熔巖中斜長石斑晶大小分布（CSD）分析結果表明，CSD參數（斜率、截距、斜長石斑晶特征長度和晶體的停留時間）隨著噴發(fā)期次具有起伏式變化特征，說明巖漿在演化過程中有多次新巖漿的注入，新巖漿與殘余巖漿的混合作用造成斜長石斑晶CSD曲線呈微上凹形。

（3）綜合分析把黑空山火山噴發(fā)劃分為4個周期，每個周期都經歷了巖漿的注入、混合、停留、結晶和噴發(fā)幾個過程。

2.1.2 關于黑空山、打鶯山、馬鞍山粗安巖對比研究

雖然負荷均分功能能夠消除主變過載的問題，但是該功能也有它的弊端：在備自投負荷均分功能完成后，不停電的兩臺變壓器無法相互支援；邊變壓器同時失電時會導致全站失壓。為了提高備自投的可靠性，可以通過雙備自投之間的配合或者判是否過負荷的方式來進行優(yōu)化[4]。

通過對騰沖黑空山、打鶯山、馬鞍山熔巖的成分、結構和顯微構造的對比研究，得到以下認識：

（1）成分分析顯示，3個火山熔巖成分包括有粗面玄武巖、玄武質粗安巖、粗安巖和粗面巖，但均以粗安巖為主。

（2）顯微鏡下分析表明，黑空山粗安巖中輝石斑晶與斜長石斑晶含量相近，而馬鞍山和打鶯山粗安巖中輝石斑晶很少。馬鞍山和打鶯山粗安巖中斑晶斜長石多發(fā)育有反應邊，黑空山粗安巖中這種現象較少。另外，馬鞍山粗安巖中含較大量的橄欖石斑晶，而黑空山和打鶯山粗安巖中極少。

（3）上述分析結果表明，黑空山粗安巖與馬鞍山粗安巖和打鶯山粗安巖的顯微結構特征、熔巖成分和斑晶含量具有一定的差異，反映了不同的巖漿環(huán)境，推測它們來自不同的巖漿房。

（4）馬鞍山和打鶯山粗安巖的微斑晶CSD分析顯示，CSD曲線呈很好的線性關系，說明微斑晶形成時的環(huán)境相對穩(wěn)定，并推測這些微斑晶是在巖漿上升過程中，停留在地殼的某處時受圍巖的冷卻作用產生。計算得到的熔巖中微斑晶停留時間和成核速率的不同，反映每期巖漿受到的過冷度不同，可能是因為巖漿上升速率不同所致。

2.1.3 關于黑空山火山熔巖中包體的研究

通過對黑空山熔巖中包體結構、礦物成分和平衡溫度、壓力的研究，得到以下結論：

（2）輝長巖類包體具有“開放”結構，常有氣孔和基質的貫入，輝石巖類包體以等粒結構和鑲嵌結構為特征，它們的礦物成分（斜長石＋單斜輝石＋斜方輝石）與熔巖斑晶成分相近。輝長巖類和輝石巖類包體平衡溫度為1 000～1 125℃，與熔巖斑晶結晶溫度（998～1 108℃）基本一致。輝長巖和輝石巖類包體結構和成分均有別于下地殼和幔源包體，應來源于巖漿房內部，其中輝長巖類包體是巖漿房頂部的巖漿發(fā)生結晶作用后形成的晶體－氣泡－液體帶，而輝石巖類包體則為巖漿房底部形成的堆積體。

（3）極少量的二輝橄欖巖包體具殘斑結構，組成礦物及成分類似于我國東部幔源包體特征，應來源于上地幔，由補給巖漿將其帶入巖漿房中，并且在巖漿噴發(fā)到地表之前可能經受過冷卻作用。

（4）輝長巖類和輝石巖類包體的平衡溫度在1 000～1 125℃之間，壓力在0.49～0.99 GPa之間，反映了巖漿房的溫壓條件。

（5）巖漿房內部的巖漿由于分離結晶程度不同有可能形成不同的成分分層，補給巖漿的侵入引起的強烈對流作用使這些成分分層發(fā)生混合作用，導致熔巖基質成分的復雜性。

2.2 龍崗南龍灣火山碎屑研究結果

通過對龍崗火山群南龍灣火山的一個剖面上不同層位火山碎屑顆粒的顯微形貌觀測、粒度分析和掃描電鏡形貌觀測，得到以下主要結論：

（1）南龍灣火山碎屑顆粒的顯微鏡下觀測表明，不同的爆炸性噴發(fā)類型，其所產生的碎屑顆粒具有不同的物質組成和顯微形貌特征。

（2）南龍灣火山碎屑顆粒的粒度分析表明，射汽巖漿爆發(fā)的粒度小，分選差，分維值高，而巖漿爆發(fā)的粒度大，分選好，分維值低，粒度的大小可能跟火山爆發(fā)時巖漿的爆炸程度有關。

（3）南龍灣火山碎屑顆粒的掃描電鏡分析，清晰地表明在南龍灣火山噴發(fā)的不同階段，水參與的程度不同。氣體脫溶和水的參與均可產生爆炸性的噴發(fā)，火山碎屑顆粒棱角尖銳并為多孔狀，說明脫溶作用促使了火山噴發(fā)；龜裂、面包皮結構、花椰菜形狀及階梯狀斷口等特征則表明巖漿與水發(fā)生了強烈的反應作用，水蒸汽為爆炸性噴發(fā)的主要動力。

（4）南龍灣火山噴發(fā)為爆炸式噴發(fā)，包括早期的射汽巖漿爆發(fā)，到巖漿爆發(fā)至晚期以射汽爆發(fā)為主的射汽巖漿爆發(fā)的不同階段。

（5）能譜分析表明，隨著噴發(fā)的進行，Mg值呈升高趨勢，除一些風化嚴重的Si值淋失，其他碎屑中Si值起伏不大。較早噴發(fā)的碎屑Na值嚴重丟失，部分碎屑在風化作用下生成了鐵氧化物，部分發(fā)生了鋁土礦化。

2.3 長白山天池火山千年大噴發(fā)空降碎屑研究結果

通過對長白山天池火山千年大噴發(fā)的空降碎屑形貌的定量化分析，得到以下主要結論：

（1）長白山天池火山千年大噴發(fā)空降碎屑以浮巖為主，浮巖碎屑的形態(tài)不規(guī)則，從等軸狀到拉長狀，從次圓狀到棱角狀都有。隨著浮巖碎屑粒徑的減小，顆粒拉長現象明顯，拉長碎屑的比例從15.02%上升到47.5%。并且，浮巖碎屑的粒度越小，顆粒棱角狀越明顯。

（2）通過對樣品的形貌分析，得到其平均形態(tài)參數F＝0.72。如果假設長白山天池火山千年大噴發(fā)浮巖碎屑為球形（F＝1）時，計算的最終沉降速度是浮巖碎屑形態(tài)參數F＝0.72時最終沉降速度的1.52倍，而當假設顆粒為橢球（F＝0.5）時，計算的最終沉降速度是浮巖碎屑形態(tài)參數F＝0.72時最終沉降速度的0.89倍。

（3）風速為10 m/s時，不同形態(tài)參數的碎屑的沉積等厚線圖顯示，火山碎屑的擴散范圍隨著形態(tài)參數F值的減小而擴大。

（4）上述結果表明，碎屑顆粒的形貌特征對最終沉降速率的計算以及碎屑擴散范圍的模擬均有顯著的影響，在今后工作中必須給予重視。

3 主要創(chuàng)新點

本論文具有以下幾個主要的創(chuàng)新點：

（1）本次研究是國內首次把顯微手段綜合運用到火山研究中，包括顯微鏡下觀測、SEM和EDX分析、CSD分析、粒度分析、表面結構分析、化學成分分析等，來研究活動火山噴發(fā)時的物理、化學過程，探索巖漿活動信息。

（2）通過斑晶大小定量化來計算晶體的停留時間和成核速率，探討活動火山的巖漿的運動學和動力學特征等在國內屬首例。

（3）前人曾報道過騰沖火山熔巖中存在鐵鎂質和超鐵鎂質包體，但是未曾對這些包體的特征和來源進行過詳細的研究。本論文是首次對騰沖黑空山火山熔巖的包體的顯微結構、成分、平衡溫度和壓力進行詳細的研究，并確定了包體的來源和成因及其地質意義，并且首次提出大部分黑空山火山熔巖中的包體并非來自下地殼或上地幔。

（4）首次對長白山天池火山空降碎屑物的形貌特征進行定量化，計算了碎屑顆粒的形貌特征參數（AR、FF、CC和RT），并討論碎屑形貌對火山空降物的沉降速度和擴散范圍的影響。

火山噴發(fā)物；顯微構造；晶體大小分布；粒度分析；形貌分析；騰沖火山群；南龍灣火山；長白山天池火山