北京沿河城地區(qū)東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的碎屑分形特征及其成因*

劉永順 馮肖兵 聶保鋒 彭年 孫善平

LIU YongShun1，F(xiàn)ENG XiaoBing1，NIE BaoFeng1，PENG Nian1 and SUN ShanPing2

1. 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048

2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

1. College of Resources，Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100048，China

2. School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China

2014-02-18 收稿，2014-06-17 改回.

酸性火山爆發(fā)形成的火山碎屑流，是常見(jiàn)的極具破壞力的火山噴發(fā)現(xiàn)象，也是一種氣-固碎屑混合的熱密度流(Fisher and Schmincke，1984;Cas and Wright，1987;Sparks et al.，1997)，其快速運(yùn)動(dòng)與沉積常形成特征的火山碎屑流堆積和火山碎屑涌浪堆積，固結(jié)成巖后成為不同地質(zhì)歷史時(shí)期火山沉積盆地中的火山巖地層，其火山碎屑流堆積的典型巖石是熔結(jié)火山碎屑巖(孫善平等，1987)?；鹕剿樾紟r的巖相結(jié)構(gòu)和火山碎屑物的顆粒形態(tài)保存著巖漿房?jī)?nèi)巖漿的結(jié)晶狀態(tài)(Marsh，1988，1998;McPhie et al.，1993;Bindeman，2003)、巖漿氣泡化、火山爆炸程度以及火山碎屑的堆積和變形過(guò)程(Sheridan and Marshall，1983;Heiken and Wohletz，1985)，其研究是揭示酸性火山碎屑巖成因的物理過(guò)程以及認(rèn)識(shí)酸性火山噴發(fā)規(guī)律的重要途徑。

研究火山碎屑物顆粒形態(tài)和火山碎屑巖結(jié)構(gòu)有定性描述和定量分析兩種途徑。形態(tài)和結(jié)構(gòu)的定性描述主要是在不同觀察尺度下進(jìn)行的。對(duì)米-厘米級(jí)顆粒，可以直接進(jìn)行宏觀形態(tài)特征描述，對(duì)毫米-微米級(jí)顆粒，可以在實(shí)體顯微鏡直至掃描電鏡下進(jìn)行描述。這是傳統(tǒng)巖相學(xué)的典型研究方法。而對(duì)形態(tài)和結(jié)構(gòu)的定量分析，典型方法是測(cè)量和計(jì)算多種形態(tài)指數(shù)，如球度、圓度、平面度、凸度、凹度、角數(shù)、壓實(shí)度和 延 伸 度(Pettijohn，1975;Honnorez and Kirst，1975;Eiríksson et al.，1994;Dellino and La Volpe，1996)。為了更精確地獲得碎屑顆粒的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，先后發(fā)展了碎屑顆粒形態(tài)的傅立葉分析方法(Schwarcz and Shane，1969;Ehrlich and Weinberg，1970)和分形幾何分析方法(Kaye，1978)，前者適用于復(fù)雜程度相對(duì)不高的碎屑顆粒形態(tài)，后者對(duì)高度復(fù)雜的碎屑顆粒形態(tài)的研究更有效，兩者是互補(bǔ)的方法。

自Mandelbrot(1967，1977，1982)發(fā)展分形幾何方法來(lái)分析復(fù)雜自然客體的形態(tài)特征以來(lái)，碎屑顆粒形態(tài)的分形規(guī)律研究逐步得到發(fā)展。對(duì)于鋸齒狀或邊界復(fù)雜的細(xì)顆粒，其橫切面的分形維可以作為定量確定其形態(tài)曲折程度的一個(gè)參數(shù)(Kaye，1978)。由于分形方法對(duì)有尖銳棱角形狀的顆粒分析敏感，而且能夠處理凹曲的形態(tài)，所以在地質(zhì)上它特別適合定量處理高度不規(guī)則的顆粒物，如火山碎屑物、巖相結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜礦物顆粒和松散的沉積物顆粒等(Orford and Whalley，1983)?；鹕剿樾?晶屑、玻屑、巖屑和漿屑)通常并不具有幾何學(xué)分形“在所有放大層次上準(zhǔn)確地復(fù)制事物的幾何形狀”(即自相似行為)(於崇文，2006)的特征，但它們的形狀還是可以依分形值(似分形維)來(lái)描述，從而可依此研究顆粒的起源、運(yùn)移和沉積規(guī)律(Carey et al.，2000;Dellino and Liotino，2002;張秉良等，2005;Maria and Carey，2002，2007)。

北京西山沿河城地區(qū)中生代東嶺臺(tái)組的酸性火山碎屑巖是典型的火山碎屑流堆積形成的，其時(shí)空展布、巖性特征、噴發(fā)相和火山構(gòu)造已得到較好地鑒別和解釋。巖石的主量、微量、稀土元素和同位素的地球化學(xué)、礦物與礦物包裹體的化學(xué)成分以及巖石的形成年齡的研究積累豐富，不同研究階段都有顯著進(jìn)展(鮑亦岡等，1983，1995;北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991;魏海泉，1987，1990，1991;孫善平等，1995;李伍平等，2000;Davis et al.，2001;李曉勇等，2004;袁洪林等，2005;王蕊等，2007;汪洋和姬廣義，2003;汪洋等，2009)。然而，巖石結(jié)構(gòu)形成的定量物理約束，火山碎屑顆粒結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以及它們與火山噴發(fā)類(lèi)型、噴發(fā)強(qiáng)度、噴發(fā)過(guò)程和物理機(jī)制的關(guān)系的研究還很薄弱，從而使巖石成因進(jìn)一步的深化受到了制約。本文通過(guò)北京西山沿河城東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的碎屑形態(tài)的分形特征研究，從復(fù)雜性科學(xué)角度分析和探討了東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的各種碎屑的形態(tài)規(guī)律及其形成的物理機(jī)制，為認(rèn)識(shí)酸性火山的爆炸過(guò)程和評(píng)價(jià)火山危害具有參考價(jià)值。

1 東嶺火山盆地的區(qū)域地質(zhì)背景

東嶺火山盆地位于北京門(mén)頭溝區(qū)沿河城鄉(xiāng)，面積約20km2。大地構(gòu)造上屬于中朝克拉通北緣燕山板內(nèi)造山帶的西部。整體上呈向南傾斜的箕狀構(gòu)造，盆地軸向約為北東40°。北側(cè)和西側(cè)主體分別受北東向沿河城斷裂和北西向橫嶺斷裂控制，其余部分以角度不整合覆蓋于早侏羅世以前不同時(shí)代的地層之上。盆地的北側(cè)為薊縣系霧迷山組、鐵嶺組，向南依次為青白口系下馬嶺組、長(zhǎng)龍山組、景兒峪組，寒武系、奧陶系下統(tǒng)、下侏羅統(tǒng)窯坡組和南大嶺組(圖1)。

盆地內(nèi)的東嶺臺(tái)組從老到新可分為4 個(gè)巖性段，第一巖性段以玄武安山質(zhì)熔巖、安山質(zhì)(粗安質(zhì))角礫熔巖為主夾凝灰質(zhì)粉砂巖，底部發(fā)育底礫巖;第二巖性段以復(fù)成分礫巖、砂礫巖和凝灰質(zhì)砂巖為主，夾流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r;第三巖性段以流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖和玄武安山巖為主，在整個(gè)火山盆地的中部大面積出露;第四巖性段以粗安質(zhì)熔巖、流紋質(zhì)熔巖為主夾粗安質(zhì)角礫熔巖和凝灰?guī)r。盆地中有潛火山巖，沿西側(cè)橫嶺斷裂有4 個(gè)閃長(zhǎng)玢巖小巖體，在沿河城老衛(wèi)生院附近有一個(gè)英安巖火山頸。該火山頸是侵位于流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中的一個(gè)晚期小型的古火山機(jī)構(gòu)中心。

圖1 北京西山沿河城地區(qū)東嶺盆地區(qū)域地質(zhì)與火山巖構(gòu)造巖相圖(據(jù)魏海泉，1987 修改)Fig.1 Sketch map of regional geology and volcanic tectonic lithofacies of Dongling volcanic basin in the Yanhecheng area，Western Hills of Beijing (modified after Wei，1987)

根據(jù)火山巖地質(zhì)產(chǎn)狀、接觸關(guān)系和巖石組合特征，東嶺盆地的火山噴發(fā)可分成五個(gè)階段(魏海泉，1987;孫善平等，1995)，每個(gè)階段又有若干次火山活動(dòng)。東嶺臺(tái)期火山活動(dòng)主要發(fā)生在早白堊世，已得到據(jù)東嶺臺(tái)組內(nèi)不同類(lèi)型巖石獲得的年齡的支持。早期研究得到的年齡區(qū)間是135 ～100Ma(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991)，近年研究獲得的年齡區(qū)間是134 ～130Ma(汪洋和姬廣義，2003;Deng et al.，2004;袁洪林等，2005)。

針對(duì)酸性火山碎屑流的碎屑形態(tài)及其成因問(wèn)題，本文選擇了東嶺臺(tái)組第三巖性段(K1d3)中的酸性火山碎屑流形成的流紋質(zhì)熔結(jié)火山碎屑巖為研究對(duì)象，開(kāi)展了巖相學(xué)和火山碎屑形態(tài)的分形特征研究。樣品主要采自林子臺(tái)-王龍口-沿河城、沿河城-龍門(mén)口、碣石-書(shū)字嶺-塔上-楊樹(shù)地-東嶺村公路沿線(xiàn)附近以及沿河城南山坡，采樣位置見(jiàn)圖1。

林子臺(tái)-王龍口-沿河城、沿河口-龍門(mén)口、碣石-書(shū)字嶺-塔上-楊樹(shù)地-東嶺村這三段公路沿線(xiàn)的地層出露各有特點(diǎn)。林子臺(tái)-王龍口段的流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r呈粉紅色，具有假流紋構(gòu)造，屬于強(qiáng)熔結(jié)流紋質(zhì)火山碎屑巖，其中王龍口北側(cè)約200m 附近的巖石最典型(圖2a)。龍門(mén)口北東向約700m 處則分布大量淺粉色流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r。沿河城三岔路口南山坡分布淺紫紅色流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r(圖2b)，與王龍口附近的熔結(jié)凝灰?guī)r不同的是它們不具有假流紋構(gòu)造。書(shū)字嶺附近則出露大面積的灰紫色流紋質(zhì)熔結(jié)集塊角礫凝灰?guī)r，角礫長(zhǎng)徑可達(dá)15cm。沿河口到龍門(mén)口沿線(xiàn)分布大面積的灰綠色流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r。

2 東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的巖相學(xué)

圖2 北京西山沿河城地區(qū)東嶺臺(tái)組流紋質(zhì)熔結(jié)火山碎屑巖野外地質(zhì)現(xiàn)象(a)-王龍口附近流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r的假流紋構(gòu)造;(b)-沿河城附近肉紅色流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)rFig.2 Field phenomena of the silicic welded pyroclastic rocks of Donglingtai Formation in the Yanhecheng area，Western Hills of Beijing(a)-rhyolitic welded tuff with pseudo-rhyolitic structure near Wanglongkou; (b )-pink rhyolitic welded breccia tuff near Yanhecheng

東嶺臺(tái)組流紋質(zhì)熔結(jié)火山碎屑巖在東嶺盆地分布面積最大，是構(gòu)成東嶺臺(tái)組火山碎屑流堆積的主要巖石類(lèi)型。東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的組成巖石主要為流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r和流紋質(zhì)凝灰?guī)r。(1)流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r主要見(jiàn)于第二和第三巖性段，是東嶺盆地分布范圍最大的巖石類(lèi)型，其熔結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)弱差異，巖石一般呈淺肉紅色，熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，強(qiáng)熔結(jié)的巖石具假流動(dòng)構(gòu)造，火山碎屑以火焰石(fiamme)、晶屑為主，玻屑和巖屑略少，但火焰石、晶屑、玻屑和巖屑的含量在不同的部位有較大差異，膠結(jié)物是細(xì)粒的已強(qiáng)烈脫?；幕鹕交液突鹕綁m。(2)流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r只見(jiàn)于第三巖性段，熔結(jié)強(qiáng)度總體較弱，巖石一般呈灰綠色、紫紅色、灰紫色，角礫凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。與流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r相比，巖屑角礫和火焰石的含量明顯增多，最高可達(dá)60%。(3)流紋質(zhì)凝灰?guī)r主要分布于第三巖性段中部，與弱熔結(jié)流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r呈過(guò)渡關(guān)系，巖屑含量很少，玻屑含量較多。

2.1 酸性火山碎屑流中的晶屑

東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流中的晶屑以石英、長(zhǎng)石晶屑占絕大多數(shù)，偶見(jiàn)黑云母晶屑。石英晶屑在不同的采樣部位，含量、特征差異較大。書(shū)字嶺附近流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中的石英晶屑既有自形的，也有碎裂棱角狀的，以破碎的顆粒為主，基本上沒(méi)有被熔蝕(圖3a)。而林子臺(tái)南部、沿河城三岔路口南山坡的流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中的石英晶屑則遭到強(qiáng)烈的熔蝕，呈現(xiàn)出火焰狀、蠕蟲(chóng)狀、剪紙狀等形態(tài)，部分石英晶屑熔蝕比較嚴(yán)重(圖3b)，熔蝕部分約占原晶體切面的15% ～30%。東嶺臺(tái)組第三巖性段的酸性火山碎屑流中含有大量的長(zhǎng)石晶屑，碎屑長(zhǎng)石的主要類(lèi)型是發(fā)育卡斯巴雙晶的堿性長(zhǎng)石，以及發(fā)育鈉長(zhǎng)石雙晶、聚片雙晶的鈉長(zhǎng)-更長(zhǎng)石(圖3c)，有聚斑現(xiàn)象出現(xiàn)。破碎的長(zhǎng)石邊緣呈鋸齒狀或階梯狀，少數(shù)顆粒具有港灣狀形態(tài)。長(zhǎng)石晶屑都或多或少發(fā)生了呈褐紅色的高嶺土化。

2.2 酸性火山碎屑流中的玻屑

中酸性火山猛烈噴發(fā)時(shí)，大量被炸碎的巖漿氣泡壁遇到外界環(huán)境迅速冷卻，形成半塑性或塑性玻屑，其典型形態(tài)是凹面棱角狀。在火山碎屑流快速堆積中塑性玻屑受上覆堆積物的重壓而呈壓扁拉長(zhǎng)狀，且略具平行排列。東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流含有大量的玻屑，熔結(jié)弱的巖石中多為脫玻化的破碎弧面多角狀(圖3d)，熔結(jié)較強(qiáng)的巖石中玻屑多呈定向的細(xì)長(zhǎng)條狀碎屑，其中層狀展布的弱熔結(jié)流紋質(zhì)凝灰?guī)r的玻屑含量較多。玻屑常具梳狀重結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

2.3 酸性火山碎屑流中的巖屑

巖屑是火山區(qū)基底和通道的圍巖(包括早期熔巖)經(jīng)火山爆炸破碎成棱角狀碎塊。東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流中的巖屑類(lèi)型多樣，既有同源的，也有異源的。巖屑種類(lèi)以安山巖、粗安巖為主，其次為流紋巖、中上元古界的硅質(zhì)白云巖、粉砂巖和細(xì)砂巖。巖屑呈棱角狀，其巖相結(jié)構(gòu)清晰，顆粒邊界相對(duì)比較平展(圖3e)。其中，流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r中的巖屑含量多，可占巖石的50%，而且多呈棱角狀、次棱角狀，而流紋質(zhì)凝灰?guī)r的巖屑含量很少。

2.4 酸性火山碎屑流中的火焰石

酸性火山碎屑流中的火焰石是明顯定向的火焰狀、長(zhǎng)條狀的漿屑固結(jié)形成的，是強(qiáng)烈扁平化的浮巖碎屑(Branney and Sparks，1990)。東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流中的火焰石一般長(zhǎng)寬比可達(dá)5 ～10，部分火焰石彼此之間形成了融合現(xiàn)象。野外可以見(jiàn)到含有石英、堿性長(zhǎng)石斑晶的肉紅色的火焰石，既有少氣孔且流紋現(xiàn)象發(fā)育的，也有浮巖質(zhì)的，但其塑性變形都相當(dāng)明顯、強(qiáng)烈。沿河城地區(qū)東嶺臺(tái)組火山碎屑流中的火焰石已全部發(fā)生了脫玻化作用，常呈花朵狀、梳狀重結(jié)晶結(jié)構(gòu)(圖3f)，有些內(nèi)部還脫?；是蛄＝Y(jié)構(gòu)?；鹧媸男螒B(tài)主要受控于火山碎屑的堆積過(guò)程和壓實(shí)作用。

3 碎屑形態(tài)分析的分形理論和方法

3.1 碎裂作用的分形理論

維數(shù)是幾何對(duì)象的重要特征量，一個(gè)圖形維數(shù)的大小，表示它占有空間的大小。在歐氏幾何測(cè)量中，點(diǎn)、直線(xiàn)、平面圖形、空間立體圖形的維數(shù)分別是0、1、2 和3 這樣的整數(shù)。而對(duì)自然界中的各種不規(guī)則、不光滑、粗糙的物體形態(tài)，如曲折的海岸線(xiàn)，起伏的山脈，粗糙的斷面等，是無(wú)法用歐氏幾何的方法描述的(Mandelbrot，1977，1982)。針對(duì)這些復(fù)雜對(duì)象，可以用分形理論中的分形維數(shù)來(lái)度量。分形維數(shù)有不同的求法，如量規(guī)法、測(cè)度關(guān)系法、關(guān)聯(lián)函數(shù)法、分布函數(shù)法、頻譜法等。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于點(diǎn)狀要素的分形維數(shù)，常用網(wǎng)格法來(lái)求;線(xiàn)狀要素的分形維數(shù)，主要采用盒維法或量規(guī)法來(lái)求;面狀要素的分形維數(shù)，一般采用周長(zhǎng)-面積法來(lái)求(孫霞等，2003)。

地殼物質(zhì)在碎裂作用下常沿介質(zhì)中先存的不同標(biāo)度的薄弱帶或薄弱面發(fā)生破裂。碎塊大小的累積頻率分布可以用冪律分布來(lái)近似。碎塊大小的冪律分布表明碎裂作用具有標(biāo)度律，即分形特征，這種特征常是自組織臨界過(guò)程的結(jié)果(於崇文，2003，2006)。

圖3 北京西山沿河城地區(qū)東嶺臺(tái)組流紋質(zhì)熔結(jié)火山碎屑巖巖相學(xué)特征(a)-流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中的石英晶屑，單偏光;(b)-流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中被熔蝕的石英斑晶和堿性長(zhǎng)石，單偏光;(c)-流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中的堿性長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)-更長(zhǎng)石，正交偏光;(d)-流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中弧面多角狀玻屑，單偏光;(e)-流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中的巖屑，單偏光;(f)-流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中的火焰石、石英和長(zhǎng)石晶屑以及巖屑，正交偏光Fig.3 Petrographic characteristics of the silicic welded pyroclastic rocks of Donglingtai Formation in the Yanhecheng area，Western Hills of Beijing(a)-rhyolitic welded tuff with quartz fragments under PPL;(b)-rhyolitic welded tuff with resorpted quartz phenocryst and alkali feldspars under PPL;(c)-rhyolitic welded tuff with alkali feldspar and albite-oligoclase under CPL;(d)-rhyolitic welded tuff with vitric fragments under PPL;(e)-rhyolitic welded tuff with lithic fragments under PPL;(f)-rhyolitic welded tuff with fiamme，quartz and feldspar fragments and lithic fragments under CPL

3.2 研究方法

本文應(yīng)用分形理論來(lái)研究酸性火山碎屑巖二維切片下的碎屑形態(tài)特征，如石英被熔蝕邊界的曲折程度、長(zhǎng)石的破碎程度等。所用的方法是盒維法和周長(zhǎng)-面積法來(lái)求分形維數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)形態(tài)比較復(fù)雜的顆粒的區(qū)分比較準(zhǔn)確。鏡下圖像處理是應(yīng)用Adobe Photoshop CS3 和NIH 軟件來(lái)進(jìn)行的。文中所有的數(shù)據(jù)均在0.48μm 到3097.6μm 尺度下測(cè)定的。周長(zhǎng)的單位為微米，面積單位為平方微米。分析步驟如下:

(1)通過(guò)NIKON Eclipse LV100 Pol 偏光顯微鏡和配套軟件獲取巖石薄片的顯微圖像;

(2)應(yīng)用Adobe Photoshop CS3 軟件提取碎屑的形態(tài)，并對(duì)碎屑形態(tài)信息進(jìn)行均一化處理和二值化處理;

(3)通過(guò)NIH 軟件獲取碎屑的面積和周長(zhǎng)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用盒維法計(jì)算出單個(gè)碎屑的表面盒維數(shù)和邊界盒維數(shù);

(4)運(yùn)用周長(zhǎng)-面積法計(jì)算碎屑顆粒的整體分形維數(shù)。

盒維法計(jì)算的是單個(gè)火山碎屑顆粒的表面盒維數(shù)和邊界盒維數(shù)，維數(shù)的數(shù)值反映了單個(gè)火山碎屑顆粒邊界的復(fù)雜程度，值越大，邊界越復(fù)雜，而這種復(fù)雜程度直觀地反映出火山物質(zhì)微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的等級(jí)性以及火山爆炸時(shí)的物理狀態(tài)。周長(zhǎng)-面積法計(jì)算的是由同一作用機(jī)制所形成的大量碎屑顆粒的整體分維數(shù)，維數(shù)值反映了火山碎屑顆粒群的破碎程度，分維值越小，說(shuō)明顆粒破碎的程度越強(qiáng)，反映火山爆炸越猛烈。

4 東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的碎屑形態(tài)的分形性

4.1 碎屑形態(tài)的分形特征

4.1.1 破碎的石英晶屑

東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流內(nèi)破碎而又未受熔蝕的石英，表面比較完整，邊界相對(duì)比較平直，保存了火山爆炸時(shí)原生剛性破碎的邊界形態(tài)。碎屑破碎往往沿著包裹體和裂紋發(fā)育。通過(guò)對(duì)酸性火山碎屑流中的18 個(gè)破碎石英晶屑切面的分析，獲得了破碎石英晶屑的表面盒維數(shù)為1.9295 ～1.9753，邊界盒維數(shù)為1.1033 ～1.1362(圖4)。其變化范圍較小，反映出石英晶體較均勻和穩(wěn)定的脆性破裂行為。對(duì)34個(gè)破碎的石英晶屑顆粒的周長(zhǎng)和面積進(jìn)行測(cè)量，其雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)擬合程度較好，分形維數(shù)為1.0319，基本上接近于一維(圖5)，說(shuō)明顆粒間相似程度較高，總體上破碎石英晶屑邊界比較平直。

4.1.2 熔蝕石英晶屑

東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流中熔蝕石英晶屑往往富集于火山碎屑流堆積單元的中下部，個(gè)體完整，熔蝕較強(qiáng)，顆粒邊界常呈港灣狀。通過(guò)對(duì)東嶺臺(tái)組第三巖性段酸性火山碎屑流中的29 個(gè)熔蝕石英晶屑切面的分析，獲得了熔蝕石英的表面盒維數(shù)為1.8893 ～1.9530，邊界盒維數(shù)為1.1267 ～1.1692(圖4)。對(duì)44 個(gè)熔蝕石英晶屑的周長(zhǎng)和面積進(jìn)行了測(cè)量，其雙對(duì)數(shù)關(guān)系明顯，其分形維數(shù)為1.2531(圖5)?？傮w上熔蝕石英晶屑比單純爆炸破碎的石英晶屑邊界曲折得多。

圖4 東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的碎屑表面盒維數(shù)與邊界盒維數(shù)的均值和范圍Fig.4 Comparison between averages and ranges of surface box-counting fractals and edge box-counting fractals of various kinds of fragments from silicic pyroclastic flows of Donglingtai Formation

圖5 東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的碎屑周長(zhǎng)(P)和碎屑面積(A)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系以及碎屑的分維值Fig.5 Relationships between logarithm of peripheries and logarithm of area and fractals of fragments from silicic pyroclastic flows of Donglingtai Formation

4.1.3 長(zhǎng)石晶屑

東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流中長(zhǎng)石晶屑含量較多，多是堿性長(zhǎng)石，有少量鈉長(zhǎng)-更長(zhǎng)石，多已出現(xiàn)不同程度的高嶺土化。通過(guò)對(duì)18 個(gè)長(zhǎng)石碎屑顆粒的分析，獲得了長(zhǎng)石表面盒維數(shù)變化范圍是1.8587 ～1.9734，邊界盒維數(shù)變化范圍是1.1038 ～1.1671(圖4)。其邊界盒維數(shù)變化相對(duì)較小。周長(zhǎng)-面積法測(cè)得的長(zhǎng)石晶屑分形維數(shù)為1.0887(圖5)，反映出其邊界的不規(guī)則程度遠(yuǎn)不及熔蝕石英，但是比石英晶屑略復(fù)雜些，主要原因是巖漿物化條件的變化未達(dá)到堿性長(zhǎng)石斑晶受熔蝕的條件，與石英相比長(zhǎng)石是各向異性的礦物而且發(fā)育解理。

4.1.4 玻屑

相對(duì)巖屑和晶屑而言，玻屑體積較小，輪廓不夠清晰，玻屑的顯微照片都是在放大100 倍基礎(chǔ)上拍攝的。通過(guò)對(duì)13個(gè)玻屑顆粒的分析，獲得了玻屑的分形維數(shù)。玻屑顆粒的分維數(shù)變化范圍較大，其表面盒維數(shù)為1.7503 ～1.8883，邊界盒維數(shù)為1.0988 ～1.1862(圖4)。這種大的變化是玻屑的塑性和流變性以及堆積過(guò)程中變形比較大的反映。周長(zhǎng)-面積法測(cè)得玻屑的分形維數(shù)為1.0535(圖5)，但其擬合優(yōu)度僅為86.6%，與以上晶屑相比較低。在一定程度上，其擬合優(yōu)度的好壞與邊界盒維數(shù)的變化范圍的大小是高度相關(guān)的。

4.1.5 巖屑

東嶺臺(tái)組流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r中含有大量的不同類(lèi)型的巖屑，但是流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中巖屑含量不多。本文只選了8 個(gè)巖屑顆粒進(jìn)行了計(jì)算。巖屑的表面盒維數(shù)為1.9122 ～1.9709，邊界盒維數(shù)為1.1190 ～1.1545(圖4)，它們的變化都不是很大。周長(zhǎng)-面積法測(cè)得的分形維數(shù)為1.0633(圖5)，且其周長(zhǎng)-面積雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)擬合程度比較好。

4.2 碎屑形態(tài)的分形性對(duì)比

4.2.1 碎屑石英與熔蝕石英的分形性對(duì)比

石英遭受熔蝕后，其表面不平整，經(jīng)常有小的熔蝕孔出現(xiàn)，這就破壞了表面的二維結(jié)構(gòu)，其邊界曲線(xiàn)雖然平滑，但是相當(dāng)復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單函數(shù)所能擬合的。未遭受熔蝕的石英晶屑，表面相對(duì)平整，但是其破碎所形成的邊界曲線(xiàn)并不是嚴(yán)格一維曲線(xiàn)。在此，選取了15 個(gè)熔蝕石英盒維數(shù)據(jù)和15 個(gè)石英碎屑盒維數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比(圖6)。

從圖6 可以看出，熔蝕石英的表面盒維數(shù)總體上都在未受熔蝕的石英表面盒維數(shù)之下，而熔蝕石英的邊界盒維數(shù)大致都在未熔蝕石英邊界盒維數(shù)之上。經(jīng)計(jì)算，未熔蝕石英晶屑表面盒維數(shù)比熔蝕石英表面盒維數(shù)平均高出0.0318。熔蝕石英的邊界盒維數(shù)比未熔蝕石英的邊界盒維數(shù)平均高出0.0248。

周長(zhǎng)-面積法測(cè)得的分形維數(shù)反映了整體邊界的變化情況。未熔蝕石英的維數(shù)為1.0319，熔蝕石英的維數(shù)為1.2531，整體相差0.2212。其數(shù)據(jù)相對(duì)差距明顯，反映了東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑巖中熔蝕石英與未熔蝕石英兩者形態(tài)復(fù)雜性的差異。熔蝕石英的邊界盒維數(shù)和周長(zhǎng)-面積法獲得的盒維數(shù)最大，說(shuō)明熔蝕作用對(duì)石英斑晶邊界形態(tài)復(fù)雜性的影響超過(guò)了其它機(jī)制對(duì)石英斑晶形態(tài)復(fù)雜性的影響。

圖6 東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流中熔蝕石英與石英晶屑的表面盒維數(shù)與邊界盒維數(shù)的對(duì)比Fig.6 Comparison between surface box-counting fractals and edge box-counting fractals of resorpted quartz phenocrysts and quartz fragments from silicic pyroclastic flows

4.2.2 碎屑分維值的變化范圍

經(jīng)研究，東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑巖內(nèi)各種碎屑的分形維數(shù)變化范圍差別較大，表面盒維數(shù)和邊界盒維數(shù)變化范圍一致，從大到小依次為:玻屑、長(zhǎng)石晶屑、熔蝕石英、巖屑和石英晶屑(圖4、圖5 和圖6)。

其中，玻屑的表面盒維數(shù)和邊界盒維數(shù)變化最大，說(shuō)明其形狀變化多樣。長(zhǎng)石晶屑維數(shù)的變化范圍僅次于玻屑，但長(zhǎng)石是晶體，所以其形狀的復(fù)雜程度可以看作火山爆發(fā)程度的微小度量。石英晶屑變化范圍最小，其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)得到了體現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比可以看出，表面盒維數(shù)越大，則邊界盒維數(shù)就越小，而且它們之和基本上是一定值，在3 左右波動(dòng)。

計(jì)算結(jié)果顯示，碎屑間的表面盒維數(shù)均值相對(duì)變化較大，其盒維數(shù)由大到小順序?yàn)?石英晶屑(1.9557)、巖屑(1.9369)、長(zhǎng)石晶屑(1.9239)、熔蝕石英(1.9239)、玻屑(1.8343)。碎屑的邊界盒維數(shù)均值由大到小順序?yàn)?熔蝕石英(1.1466)、巖屑(1.1377)、長(zhǎng)石晶屑(1.1352)、玻屑(1.1317)、石英晶屑(1.1218)。周長(zhǎng)-面積法測(cè)得分形維數(shù)由大到小依次為:熔蝕石英(1.2531)、長(zhǎng)石晶屑(1.0887)、巖屑(1.0633)、玻屑(1.0535)和石英晶屑(1.0319)。邊界盒維數(shù)均值與周長(zhǎng)-面積法獲得的碎屑分形維數(shù)相對(duì)大小是一致的，雖然數(shù)值上不等，但都可以從整體上反映其邊界的復(fù)雜程度(圖7)。

5 東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的碎屑分形特征的成因

東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑巖中的各種火山碎屑形態(tài)，均呈現(xiàn)出了分形性。碎屑石英、熔蝕石英、碎屑長(zhǎng)石、玻屑和巖屑的分形特征都有明顯差異，這種差異反映了火山噴發(fā)過(guò)程中圍巖結(jié)構(gòu)和巖漿性質(zhì)、物理化學(xué)條件以及火山作用機(jī)制的差異。

圖7 東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流的碎屑邊界盒維數(shù)均值與周長(zhǎng)-面積法獲得的分維數(shù)均值的對(duì)比Fig.7 Comparison between averages of edge box-counting fractals and averages of fractals from logarithm of peripheries to logarithm of areas of various kinds of fragments from silicic pyroclastic flows of Donglingtai Formation

含熔蝕石英和石英碎屑的酸性熔結(jié)火山碎屑巖是東嶺臺(tái)期火山猛烈爆發(fā)的產(chǎn)物，規(guī)模大、分布廣。長(zhǎng)石晶屑盒維數(shù)變化范圍較寬，說(shuō)明長(zhǎng)石晶屑形狀多樣，碎裂程度較強(qiáng)。玻屑盒維數(shù)變化范圍最大，充分顯示了其碎屑的塑性和流變特性，也說(shuō)明采樣部位不是單元流層的中心相，也不是強(qiáng)熔結(jié)碎屑堆積的。巖屑的成分和形態(tài)多樣，其盒維數(shù)變化范圍只較石英碎屑稍大，說(shuō)明其形成時(shí)期與石英碎屑形成時(shí)期大致相當(dāng)。由于巖屑的強(qiáng)度比石英斑晶強(qiáng)度小，其變形程度相對(duì)較大，所以其形狀較石英碎屑略不規(guī)則。

巖石中的石英形態(tài)差異和特征是由三個(gè)過(guò)程作用的結(jié)果，主要是:(1)巖漿在地下巖漿房?jī)?nèi)差異結(jié)晶作用;(2)火山爆炸過(guò)程中石英晶體的破碎作用;(3)在巖漿上升過(guò)程中與火山碎屑流堆積過(guò)程中物化條件的變化而發(fā)生熔蝕作用。石英耐高溫，但卻遭受較強(qiáng)的熔蝕，表明在巖漿運(yùn)移到地殼淺部或噴出地表時(shí)，壓力降低和揮發(fā)分的逃逸使斑晶遭受熔蝕，其中壓力降低、快速堆積體內(nèi)部的溫度降低緩慢是最重要的因素。當(dāng)巖漿從高溫高壓的地下深處上升到低壓的近地表或地表的過(guò)程中，從相圖中可以得到石英和堿性長(zhǎng)石的共結(jié)線(xiàn)將會(huì)向石英方向移動(dòng)，這樣巖漿在深處晶出的石英斑晶就會(huì)被熔蝕，從而造成固相石英的體積和含量不斷減少(鄧晉福等，2004)。石英晶體的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但在流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中其破碎顆粒眾多，說(shuō)明當(dāng)時(shí)在巖漿運(yùn)移到近地表時(shí)，發(fā)生過(guò)極為猛烈的爆炸。對(duì)于長(zhǎng)石晶體，雖然也已在巖漿房中結(jié)晶出來(lái)，但僅經(jīng)歷了差異結(jié)晶和破碎兩個(gè)過(guò)程，而沒(méi)有經(jīng)歷熔蝕過(guò)程。

根據(jù)巖相學(xué)研究，火山爆炸前，酸性巖漿主要由已結(jié)晶出來(lái)的斑晶石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)-更長(zhǎng)石、微晶、氣體和液態(tài)熔漿組成。爆炸過(guò)程中，火山上部的圍巖以及巖漿中的斑晶被壓力釋放形成的沖擊波以及自身膨脹破碎(如石英斑晶內(nèi)部的大量氣液包裹體膨脹導(dǎo)致晶體破碎;Allen and McPhie，2003)，而產(chǎn)生剛性巖屑、棱角狀石英晶屑和長(zhǎng)石晶屑。它們的形態(tài)復(fù)雜性反映的是脆性破裂的過(guò)程;而受熔蝕的石英晶屑是巖漿中結(jié)晶出來(lái)的石英由于物化條件變化而受到熔蝕形成的，其復(fù)雜性反映的是晶體的重新熔化過(guò)程。對(duì)于火山氣體，在爆炸前，不同大小的氣泡通過(guò)自組織過(guò)程而趨近爆炸臨界，臨界狀態(tài)是氣泡生長(zhǎng)與巖漿爆炸破碎的分界狀態(tài);爆炸前的這種臨界狀態(tài)很好地保存在浮巖的氣孔中。對(duì)于巖漿而言，爆炸時(shí)，破碎過(guò)程是一種局域的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)，即在臨界區(qū)域內(nèi)氣泡之間的相互影響不論遠(yuǎn)近都是需要重視的、不可忽略的。氣泡的爆炸是從處于臨界狀態(tài)的大氣泡破碎開(kāi)始的，并依次逐級(jí)破碎、連鎖變化。從而導(dǎo)致爆炸的結(jié)果，即碎屑物的形態(tài)和顆粒分布呈現(xiàn)出了具有冪律規(guī)律的分形特征。

巖漿脫氣作用引起火山爆炸時(shí)，被炸碎的巖漿氣泡壁冷卻形成玻屑，有的玻屑炸碎時(shí)圓弧形狀保留完好，有的呈雞骨狀、樹(shù)枝狀、鐮刀狀等。這些玻屑隨火山碎屑流快速堆積，而且隨堆積地點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離火山口，其玻屑變形程度逐漸變?nèi)?，在近源相變形?qiáng)烈，而遠(yuǎn)源相變形微弱。巖屑主要是火山爆炸中的碎裂作用導(dǎo)致圍巖破碎形成的，其邊界的復(fù)雜性與先成巖石的結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。因此，可以得出，東嶺臺(tái)組流紋質(zhì)熔結(jié)火山碎屑巖的復(fù)雜顆粒結(jié)構(gòu)形態(tài)和顆粒分布特征不是單一爆炸過(guò)程形成的，而是火山系統(tǒng)多種過(guò)程和作用相互疊加與增強(qiáng)導(dǎo)致的高度復(fù)雜性，在火山爆炸的時(shí)空臨界處并發(fā)，導(dǎo)致自組織臨界性的發(fā)生，其分形規(guī)律不只表現(xiàn)在火山碎屑顆粒的幾何形態(tài)上，而且表現(xiàn)在作用過(guò)程的分形動(dòng)力學(xué)上，因此認(rèn)識(shí)火山碎屑的這種現(xiàn)象需要從多個(gè)過(guò)程來(lái)破解。

總之，東嶺臺(tái)組流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r的結(jié)構(gòu)成因過(guò)程可以總結(jié)歸納為:含石英和長(zhǎng)石斑晶的流紋質(zhì)熔漿在上升過(guò)程中，由于其壓力下降，先期形成的石英斑晶遭受熔蝕。熔漿繼續(xù)上升，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到氣體出溶臨界值時(shí)，即形成大量的氣泡，隨著壓力的下降，加速了石英斑晶的熔蝕速度。隨著熔漿迅速上升到地表，火山通道被炸開(kāi)，大量的揮發(fā)分、炸碎的氣泡壁以及帶有熔蝕石英、長(zhǎng)石的熔漿碎屑被噴出火口，呈熾熱狀態(tài)懸浮于氣體之中，在后續(xù)噴發(fā)物的推動(dòng)下，沿山坡迅速下移堆積，在上覆物質(zhì)的壓力下，熾熱的塑性物質(zhì)開(kāi)始熔結(jié)成巖，富含漿屑的碎屑堆積于離火口較近的地區(qū)，冷卻后形成熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論

東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑流具有典型火山碎屑流的組成特征，熔結(jié)程度和強(qiáng)度依單元的不同部位明顯不同，主要組成巖石是流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)熔結(jié)角礫凝灰?guī)r和流紋質(zhì)凝灰?guī)r。

(1)東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑巖中的各種碎屑的表面盒維數(shù)和邊界盒維數(shù)的變化范圍從寬到窄依次為:玻屑、長(zhǎng)石晶屑、熔蝕石英、巖屑和石英晶屑。不同類(lèi)型碎屑的表面和邊界盒維數(shù)的數(shù)值范圍具有一致性，玻屑作為塑性碎屑變幅較大，石英晶屑和巖屑作為剛性碎屑變幅較小。這說(shuō)明碎屑的塑性和流變性對(duì)碎屑形態(tài)多樣性的影響較大。

(2)邊界盒維數(shù)均值由大到小依次為熔蝕石英、巖屑、長(zhǎng)石晶屑、玻屑和石英晶屑。周長(zhǎng)-面積雙對(duì)數(shù)法獲得的分形維數(shù)的均值由大到小依次為熔蝕石英、長(zhǎng)石晶屑、巖屑、玻屑和石英晶屑。兩者獲得的相對(duì)大小基本一致，雖然數(shù)值上不等，但都可以從整體上反映其顆粒邊界的復(fù)雜程度。在幾種類(lèi)型的碎屑中，熔蝕石英遭受了至少15% ～30%不同程度的熔蝕，熔蝕石英的邊界盒維數(shù)和周長(zhǎng)-面積法獲得的分形維數(shù)最大，說(shuō)明熔蝕作用對(duì)石英斑晶邊界形態(tài)復(fù)雜性的影響超過(guò)了其它機(jī)制對(duì)火山碎屑形態(tài)復(fù)雜性的影響，表明熔漿在上升地表的過(guò)程中環(huán)境條件發(fā)生了顯著變化。

(3)東嶺臺(tái)組酸性火山碎屑巖中的熔蝕石英、碎屑石英、碎屑長(zhǎng)石、玻屑和巖屑的分形特征有明顯差異，反映了火山噴發(fā)過(guò)程中圍巖結(jié)構(gòu)和巖漿性質(zhì)、物理化學(xué)條件以及火山作用機(jī)制的差異。酸性火山碎屑流是由漿屑、巖屑、玻屑和晶屑以及火山氣體相混合的多相密度流?；鹕剿樾夹螒B(tài)的分形特征和冪率規(guī)律證明火山爆炸過(guò)程是在一種自組織臨界下發(fā)生的。爆炸時(shí)的破碎過(guò)程是一種局域的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致爆炸形成的碎屑物的形態(tài)展現(xiàn)了分形特征和冪律規(guī)律。

致謝 在本文的完成過(guò)程中，秦海鵬、李永生、郭文峰、楊小宇、張麗紅、王永琴、王楠等都不同程度地協(xié)助開(kāi)展了野外考察和室內(nèi)工作，在此表示感謝。作者們衷心感謝於崇文院士、羅照華教授、魏海泉研究員的全面細(xì)致的評(píng)閱和中肯的改進(jìn)意見(jiàn)。

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