長白山天池火山頂部黃色物質(zhì)成因的初步探討

尹功明 樊祺誠

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

長白山天池火山是目前中國境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因?qū)訝罨鹕?，火山活?dòng)經(jīng)歷了造盾(早更新世2.77～1.203Ma BP)、造錐(中-晚更新世1.12～0.04Ma BP)和全新世噴發(fā)3個(gè)發(fā)展階段，3個(gè)階段巖漿成分從玄武質(zhì)—粗面質(zhì)—堿流質(zhì)代表其演化過程。長白山為典型的火山地貌，長白山天池是“千年大噴發(fā)”的火山口。根據(jù)火山地質(zhì)、年代學(xué)和史料記載，天池火山距今5ka以來有過多次噴發(fā)活動(dòng)(劉若新等，1998)。

長白山天池火山全新世噴發(fā)物披覆于環(huán)繞天池火山口緣諸山峰頂部及錐體外側(cè)的一些平緩階坡上，北坡天文峰—白巖峰一帶是觀察不同時(shí)期噴發(fā)物的最佳地段。在天文峰，發(fā)育1套黃色“碎屑”物質(zhì)，外貌特征非常突出(照1)。目前這套黃色物質(zhì)被認(rèn)為是距今5ka左右1次爆炸式火山作用產(chǎn)生的堿流質(zhì)浮巖(劉若新等，1998)。但是，火山熔巖或火山物質(zhì)通常為黑色、灰色。如果是一次獨(dú)立的火山噴發(fā)物形成的黃色浮巖，則原始的熔漿必須為黃色。同時(shí)，這套黃色物質(zhì)與下伏、周邊火山物質(zhì)層的界線不明顯，是漸變的。因此，這套黃色“浮巖”的成因是有爭議的，1980年5月18日美國圣海倫斯火山噴發(fā)物的研究為我們解開這個(gè)迷團(tuán)提供了新的思路(中央電視臺(tái)，2012)。

1 圣海倫斯火山

圣海倫斯火山(Mount St.Helen′s Volcano)位于美國太平洋西北區(qū)華盛頓州的斯卡梅尼亞縣，西雅圖市以南154km，波特蘭市東北85km處，海拔2 549m，是喀斯喀特山脈的一部分。圣海倫斯火山是包含160多個(gè)活火山的環(huán)太平洋火山帶的一部分。圣海倫斯火山與長白山同為堿流質(zhì)。

在1980年的噴發(fā)前，圣海倫斯火山因形狀勻稱，山頂布滿積雪，很像日本的富士山，故被稱為“美國的富士山”，吸引了眾多旅游者。圣海倫斯火山于1980年3月27日突然復(fù)活﹐在火山深處發(fā)生了1次4.2級(jí)地震，隨后陸續(xù)發(fā)生了一系列3～4級(jí)地震和火山振顫。3月27日開始的蒸汽噴發(fā)呈現(xiàn)了其火山特征。1980年3月20日發(fā)現(xiàn)火山活動(dòng)異常后，美國地質(zhì)調(diào)查局和華盛頓大學(xué)迅速增設(shè)了大量監(jiān)測儀器，開展了較全面的監(jiān)測工作。進(jìn)入5月，火山工作者觀察到火山先在北側(cè)隆起。5月18日，圣海倫斯火山噴發(fā)，分成2個(gè)階段:首先是新隆起區(qū)的崩塌，然后是側(cè)向噴發(fā);停止半小時(shí)后，發(fā)生最為劇烈的噴發(fā)，煙云沖向2萬m高空，火山灰隨氣流擴(kuò)散至4 000km以外，撒落在距火山800km處的也有1.8cm厚?；鹕礁浇恿鞅欢氯?、改道，許多道路被埋沒?；鹕絿姲l(fā)后﹐附近地形發(fā)生顯著變化﹐原來的火山錐頂部崩塌，形成1個(gè)長3km、寬1.5km、深125m的新火山口。

由于從3月開始，美國火山工作者進(jìn)行了全方面的監(jiān)測，無論是噴發(fā)前還是噴發(fā)后，都留下了豐富的實(shí)際資料。在噴發(fā)后，科學(xué)家對(duì)圣海倫斯火山噴發(fā)開展了詳細(xì)的調(diào)查和研究。他們發(fā)現(xiàn)在這次火山口壁的頂部有幾m厚的黃色物質(zhì)，以前是不存在黃色物質(zhì)的，也不是巖漿侵入物，更不是此次的噴發(fā)物。同時(shí)，在20km之外的本次噴發(fā)火山堆積物的底部也發(fā)現(xiàn)了這套黃色物質(zhì)。

通過對(duì)這套黃色物質(zhì)的研究，他們認(rèn)為:隨著巖漿的上升，帶來熱水，同時(shí)加上地表積雪受地下熱所融化以及降雨，這些地表水向下滲透。在巖漿高熱的作用下，在巖漿的頂部，原先的地表巖層中充填了大量的高溫?zé)崴?。這些高溫?zé)崴c巖石發(fā)生化學(xué)交換，原先的巖石產(chǎn)生腐蝕，使原本為灰色或黑色的巖石成為黃色。由于熱水作用，黃色物質(zhì)的含水量相對(duì)較高。同時(shí)，由于受巖漿上升隆起作用以及發(fā)生高溫?zé)崴瘜W(xué)作用，使巖漿上覆蓋層和周邊的巖石碎裂、松散。

2 長白山天池火山頂部黃色物質(zhì)

長白山天池火山頂部的黃色物質(zhì)有以下物征:

(1)這套黃色物質(zhì)與周邊的灰色、黑色巖石沒有明顯的界線，是漸變(照1)的，以前把黃色物質(zhì)作為單獨(dú)一期火山噴發(fā)時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象無法解釋。如果用熱水交代的成因就很好解釋。

(2)含水量高:根據(jù)成分分析，黃色物質(zhì)的含水量明顯高于周邊的灰色、黑色巖石(表1)，以及其他地區(qū)的火山噴發(fā)物。黃色物質(zhì)含水量高的原因以前一直沒有得到很好的解釋。

(3)外觀破碎，不完整。很容易被認(rèn)為是“浮巖”。

(4)黃色物質(zhì)在天池火山頂部靠近內(nèi)壁一側(cè)局部分布，規(guī)模較小。由于是熱水作用形成黃色物質(zhì)，在“千年噴發(fā)”之前形成的黃色物質(zhì)可能只是巖漿的蓋層，經(jīng)過噴發(fā)破壞后，只能局部保留下來。

照1 長白山天池火山頂部黃色“浮巖”堆積物Photo 1 The yellow material at Changbaishan Tianchi volcano.

表1 天池火山全新世火山巖主量元素(%)和微量元素(μg/g)分析結(jié)果(據(jù)樊祺誠等，1999)Table 1 The major-and trace elements contents of the Changbaishan Tianchi Holocene volcanic rocks(after FAN Qi-cheng et al.，1999)

3 長白山天池火山頂部黃色物質(zhì)成因推測

上述長白山天池火山頂部黃色物質(zhì)無論是外形還是產(chǎn)出特征，以及化學(xué)成分分析，可能不是一次獨(dú)立的噴發(fā)事件的產(chǎn)物。類比1980年5月圣海倫火山噴發(fā)的研究成果，我們也可以推測長白山天池火山頂部黃色物質(zhì)的成因如下:在“千年噴發(fā)”巖漿上升接近地表階段時(shí)，在巖漿頂部，充滿高溫?zé)崴?，這些高溫?zé)崴c周圍巖石(早期火山物質(zhì))發(fā)生交代作用，使其顏色發(fā)生變化成為黃色(褐黃色、桔黃色)，同時(shí)碎裂(或原本就是先期的火山噴發(fā)碎屑)?！扒陣姲l(fā)”之后只在局部保留下來。因此推測，長白山天池頂部火山黃色物質(zhì)不是一次獨(dú)立的火山噴發(fā)物，而是“千年噴發(fā)”時(shí)熱水交代作用的產(chǎn)物。

本小文只是借鑒圣海倫斯火山黃色物質(zhì)的成因，提出對(duì)長白山天池火山黃色物質(zhì)成因的新思路，以供討論。

樊祺誠，劉若新，魏海泉，等.1999.長白山天池火山全新世噴發(fā)與巖石地球化學(xué)特征［J］.地質(zhì)論評(píng)，45(7):263—271.

FAN Qi-cheng，LIU Ruo-xin，WEI Hai-quan，et al.1999.Petrogeochemical Characteristics of Holocene Eruption of the Tianchi Volcano，Changbai Mountains［J］.Geological Review，45(7):263—271(in Chinese).

劉若新，魏海泉，李繼泰.1998.長白山天池火山近代噴發(fā)［M］.北京:科學(xué)出版社.

LIU Ruo-xin，WEI Hai-quan，LI Ji-tai.1998.Recent Eruption of the Tianchi Volcano，Changbai Mountains［M］.Science Press Beijing(in Chinese).

中央電視臺(tái).2012.探秘地球:圣海倫斯火山［R］.

CCTV.2012.Discover earth:Mount St.Helen′s Volcano［R］.