長白山火山構(gòu)造與火山噴發(fā)研究進展

摘 要：長白山火山是世界著名的具有潛在災(zāi)害性噴發(fā)危險的火山之一，對長白山火山的研究是目前地質(zhì)災(zāi)害研究的重要內(nèi)容。梳理和總結(jié)了近期國內(nèi)有關(guān)長白山火山構(gòu)造、噴發(fā)機制、火山噴發(fā)物等方面的研究，初步確定長白山天池火山巖漿囊處于火山口下方10～40 km處，天池火山口西南對火山噴發(fā)熔巖流向有控制作用，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造受西太平洋板塊俯沖作用的影響，火山區(qū)地殼和地幔雙層巖漿房具有互動式噴發(fā)特點。同時提出火山內(nèi)部巖漿結(jié)構(gòu)、位置、演化和噴發(fā)機制等內(nèi)容仍是今后深入探究的課題。

關(guān)鍵詞：火山構(gòu)造；火山噴發(fā)；研究進展；長白山

中圖分類號：P317 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2014）17-0042-03

Research Progress in Tectonic and Eruption of Changbai Mountain Volcano

DU Hui-shi1，F(xiàn)ENG Heng-dong2，CHEN Zhi-wen1

（1. Institute of Ecological Environment， Jilin Normal University， Siping 136000， PRC；

2. Department of Geography， College of Sciences， Yanbian University， Yanji 133002， PRC）

Abstract：Changbai Mountain volcano is famous with potentially catastrophic eruption of the volcano dangerous in world. The study of Changbai Mountain volcano is an important part of the research on geological disaster. It summarized and carded recent research what is relevant domestic Changbai Mountain Volcanic structure， eruption mechanisms， volcanic eruptions and other aspects of the study. Tianchi volcano magma chamber was initially identified in the crater at the bottom of 10～40 km. It eruption crater could control southwest lava flows. The geologic of the region is influenced by the actions of the Western Pacific’ pitch down. And volcanic crust and mantle magma chamber has a double eruption interactive feature. It is still a subject what we export deeply that bring up inside the volcano of magma， location， evolution and eruption mechanism in the future.

Key words：volcano-tectonic； volcanic eruption； research progress； Changbai Mountain

收稿日期：2014-07-19

基金項目：吉林省社會科學(xué)基金項目（2014B127）；延邊大學(xué)科技發(fā)展項目（長白山火山災(zāi)害模擬研究）；國家自然基金（41401002）

作者簡介：杜會石（1983- ），男，吉林伊通滿族自治縣人，講師，博士后，主要從事資源環(huán)境遙感研究。

通訊作者：陳智文

長白山位于吉林省東南部，是圖們江、鴨綠江、松花江的發(fā)源地，1980年被列入聯(lián)合國國際生物圈保護區(qū)[1]。長白山是世界著名的具有潛在災(zāi)害性噴發(fā)危險的火山之一，自2000年以來，其活動性有所增強，對長白山火山的研究是我國目前地質(zhì)災(zāi)害研究的重要內(nèi)容之一[2]。因此，筆者就近期有關(guān)長白山火山構(gòu)造、火山噴發(fā)物、噴發(fā)機制等方面的研究內(nèi)容進行了梳理，并對未來研究方向進行展望。

1 火山構(gòu)造

目前對長白山火山深部結(jié)構(gòu)與巖漿上升動力學(xué)過程方面的研究較少。魏海泉等[3]通過深入分析火山深部巖漿柱構(gòu)造、造盾玄武巖源區(qū)的熔融與停止過程等，探討了酸性地殼巖漿房尺度、形狀與巖漿超壓控制的噴發(fā)規(guī)模、巖漿房頂部巖墻傳導(dǎo)與噴發(fā)周期及巖漿柱內(nèi)天池火山作用等問題。馮晅等[4]利用長白山寬頻帶流動地震臺站及吉林省地震臺網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用地震層析成像方法，對長白山及鄰區(qū)地下40 km深度范圍內(nèi)的P波速度結(jié)構(gòu)進行研究，推測火山口下方10～40 km處存在巖漿囊，但向下延伸的深度目前還無法判定，該觀點與楊卓欣等[5]的研究結(jié)果接近。但馮晅等[4]推測巖漿囊的位置處于火山口下部的西南方，巖漿囊的走向在10～20 km處呈近北東走向，在20～40 km呈南北走向，該結(jié)論與楊卓欣等[5]認為的巖漿囊的位置處于火山口下部的西方呈南北走向的觀點略有差異。樊祺誠等[6]討論了天池火山粗面玄武巖的噴發(fā)歷史和巖漿演化過程，認為在巖漿演化過程中巖漿的結(jié)晶分異作用是形成天池火山具有雙峰式火山巖分布特征的原因，而演化過程中的巖漿混合作用（地幔中的玄武質(zhì)巖漿注入了地殼巖漿房，導(dǎo)致地殼巖漿分層結(jié)構(gòu)受到擾動）則觸發(fā)了千年大噴發(fā)。此前潘紀(jì)順等[7]以天池火山區(qū)的淺部構(gòu)造特征為研究對象，利用淺層地震勘探技術(shù)獲取觀測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明，整個探測區(qū)存在3個穩(wěn)定地層界面，局部存在多個斷層，其中淺部斷層更多地分布在天池火山口的西南側(cè)，火山活動也比天池西北部更強烈，可見天池西南部的斷層對火山噴發(fā)熔巖流向的控制作用更強，由此推測，天池火山的主控斷裂即北東向的六道溝—天池—甑峰山斷裂比北西向的白山鎮(zhèn)—天池—金策斷裂的活動性強。

火山地層學(xué)方面，魏海泉等[8]根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和前期研究成果，把天池火山造錐噴發(fā)過程劃分為4個階段，將巖漿演化劃分為早晚兩個旋回，分別進行了演化特點和規(guī)律的闡述，并明確了天池火山地層結(jié)構(gòu)。王璞珺等[9]針對目前對于火山地層學(xué)和火山架構(gòu)的研究較少的現(xiàn)象，系統(tǒng)而詳細地分析了長白山火山噴出物特點、構(gòu)建了長白山火山地層單元體系和火山架構(gòu)類型，并討論了長白山火山地層和架構(gòu)與火山災(zāi)害的關(guān)系，為長白山火山研究拓寬了新的研究方向。

2 火山噴發(fā)機制

關(guān)于長白山火山噴發(fā)機制，學(xué)者多認為其受西太平洋板塊俯沖作用的影響[10]。呂政等[11-12]分析了長白山火山地震活動與西北太平洋俯沖板塊的中深源地震的關(guān)系，并建立了長白山地幔柱模型，對長白山火山地震活動機制進行了初步探討。段永紅等[13]根據(jù)獲取的布設(shè)在長白山地區(qū)的19個PASSCAL寬頻帶流動地震臺站近1 a的遠震記錄數(shù)據(jù)和布設(shè)在鏡泊湖火山區(qū)14個寬頻帶輕便數(shù)字地震儀3個月的遠震記錄數(shù)據(jù)，提取出接收函數(shù)后進行研究，結(jié)果顯示研究區(qū)存在410 km、520 km和660 km間斷面，410 km和660 km間斷面受西太平洋板塊俯沖作用影響出現(xiàn)明顯上隆，表明西太平板塊已經(jīng)俯沖到研究區(qū)過渡帶中，板塊最前端可能由幾個板塊殘片組成。趙慶英等[14]也認為長白山天池火山區(qū)域的構(gòu)造受到西太平洋板塊俯沖作用的影響，通過對該區(qū)域深源、淺源地震的震源機制進行分析，得出研究區(qū)最大主壓應(yīng)力方向為NEE-SWW向，而未來噴發(fā)可能會受NWW向

影響，此研究結(jié)論與李春鋒等[15]觀點一致。樊祺誠等[16-17]

探討了長白山火山區(qū)巖漿演化與噴發(fā)機制問題，認為天池火山之下地殼和地幔雙層巖漿房具有互動式噴發(fā)的特點。

3 火山噴發(fā)物研究

火山噴發(fā)物是研究火山噴發(fā)歷史、噴發(fā)過程、噴發(fā)形態(tài)和特征、噴發(fā)機制的重要依據(jù)，學(xué)者對此開展了相關(guān)研究，并取得一定成果。楊清福等[18]在天池水面東北側(cè)識別出了一套新的火山噴發(fā)物（灰色多層火山碎屑堆積），通過分析其分布與產(chǎn)狀、剖面地層形態(tài)、粒度特征、顯微構(gòu)造、巖石化學(xué)性質(zhì)等，判定其來自于射氣巖漿噴發(fā)；根據(jù)巖漿類型為粗面質(zhì)，結(jié)合史料記載和地層層序關(guān)系，推測其形成時間為1903年。對于長白山天池頂部的一套黃色浮巖，以前被認為來自距今約5 000～8 000 a

的某次大規(guī)模噴發(fā)[19]。尹功明等[20]參考1980年美國圣海倫斯火山噴發(fā)后出現(xiàn)的黃色物質(zhì)的成因，并依據(jù)長白山天池火山頂部黃色物質(zhì)的化學(xué)成分和物理特征，推測其為“千年噴發(fā)”時熱水交代作用的產(chǎn)物，而不是一次獨立的火山噴發(fā)事件的產(chǎn)物。但學(xué)者對此觀點也提出不同見解，如許建東等[21]從巖石成分、顯微結(jié)構(gòu)等角度將黃色堆積物與“千年大噴發(fā)”的灰白色浮巖進行了比較分析后，認為兩者雖然均是爆炸式噴發(fā)的產(chǎn)物（可能由同一種巖漿演化而來），但巖石學(xué)證據(jù)顯示黃色堆積物是“千年大噴發(fā)”之外的一次獨立的爆炸式火山噴發(fā)事件的空降堆積。李霓等[22]對堿性長石內(nèi)部的熔融包裹體，利用

Nicolet Magna-IR 550紅外光譜儀進行了光譜分析，結(jié)果顯示熔融包裹體中的含水量較高，達1.6%～3.6%，為“千年大噴發(fā)”的發(fā)生與當(dāng)時巖漿中含水量高有關(guān)的說法提供了有力的證據(jù)。2008年李霓等[23]又對天池火山“千年大噴發(fā)”產(chǎn)物的堿性長石晶屑中發(fā)現(xiàn)的兩組性質(zhì)不同熔體包裹體進行了研究，對其巖石成分、形態(tài)特征進行比較分析，并對其成因進行討論，這兩種不同包裹體的存在為“千年大噴發(fā)”前天池火山的地殼巖漿房熔體具有成分多樣性和分層結(jié)構(gòu)提供了新的證據(jù)，由此推測了“千年大噴發(fā)”的形成原因。

在天池火山各種噴發(fā)物中，劉永順等[24]選擇天池火山氣象站晚期的堿流質(zhì)熔巖進行研究，通過分析其地質(zhì)背景、巖相特征、礦物化學(xué)特征、巖石化學(xué)特征等，認為該堿流質(zhì)熔巖是典型的溢流熔漿冷卻固結(jié)后形成的，并得出了相應(yīng)的分析結(jié)果、巖石成分和性質(zhì)。張秉良等[19]等選擇堿性長石這種標(biāo)志性礦物進行了掃描電鏡和能譜分析，認為堿性長石表面的風(fēng)化溶蝕程度和火山噴發(fā)的年代有較為顯著的關(guān)系，即火山噴發(fā)物時代越早，長石表面風(fēng)化溶蝕程度越強，顆粒結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，另外根據(jù)長石顆粒表面的顯微形貌結(jié)構(gòu)分析，天文峰剖面中的灰色浮巖與漫江林場浮巖可能來自于同一次火山噴發(fā)。因此，在以后判定火山噴發(fā)精細序列時可以將長石表面風(fēng)化溶蝕程度作為一個參考指標(biāo)。

于紅梅等[25]以Suzuki火山碎屑空降物擴散模型為基礎(chǔ)，綜合考慮了火山碎屑物不同密度、不同高度時風(fēng)速、空氣密度、溫度和黏度的不同后對模型進行了改進，計算了不同尺寸顆粒的最終沉降速度和沉降時間，并利用改進的Suzuki模型對長白山天池火山“千年大噴發(fā)”空降碎屑物的空間分布進行了數(shù)值模擬，通過與前人的研究結(jié)果進行對比，驗證了該模型的可靠性[23]?？紤]到火山噴發(fā)碎屑顆粒的形態(tài)參數(shù)是影響碎屑顆粒最終沉降速度的重要因素，于紅梅等[25]將長白山天池火山千年大噴發(fā)碎屑空降物進行了形貌特征分析，并計算出其對最終沉降速度和擴散范圍的影響程度。

研究火山噴發(fā)物時，粒度分析是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù)手段，粒度分析結(jié)果可以為火山碎屑的成因類型、分選性、搬運機制等研究提供依據(jù)，以進一步揭示火山動力學(xué)的機理。楊清福等[26]對天池火山區(qū)“千年大噴發(fā)”火山碎屑流堆積粒度特征進行了分析，認為火山碎屑流堆積較差而伴生的灰云浪堆積較好，而火山碎屑流堆積中的巖屑和浮巖的平均最大粒度隨著離開火山口距離的加大而減??；該研究還得出火山碎屑流發(fā)生了流體化作用的結(jié)論并獲取了流體化速度的定量數(shù)據(jù)，進一步分析流體化作用對火山碎屑流搬運和堆積的影響。趙波等[27]采集了天池火山各種類型的碎屑堆積物樣品進行粒度分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)判斷不同堆積物的成因，并討論了火山空降堆積物和火山碎屑流堆積物隨著與火口距離變化的規(guī)律，該研究還對研究區(qū)內(nèi)粒度<62.5 μm的細火山灰組分進行了分析，補充了火山動力學(xué)特征信息。

除了對火山碎屑流方面的研究外，聶保鋒等[28]曾根據(jù)天池火山口周圍不同距離的火山泥石流堆積物標(biāo)本數(shù)據(jù)，將長白山天池火山泥石流分為：碎屑流相、過渡相和超富集流相，并解釋了其形成過程。盛儉等[29]對長白山天池火山泥石流堆積物采取2組共12個樣品進行了粒度分析，結(jié)果表明長白山天池火山泥石流主要為稀性泥石流，堆積物分選較差，粒度分布接近正態(tài)分布。

4 結(jié)論與展望

近幾年，我國學(xué)者針對長白山各種火山噴發(fā)物的研究取得了豐富成果，為研究火山噴發(fā)歷史、噴發(fā)過程、噴發(fā)形態(tài)和特征、噴發(fā)機制提供了重要依據(jù)；火山地下巖漿囊的位置被進一步確定，對火山噴發(fā)機制也有了新的認識，火山地層和架構(gòu)得到了系統(tǒng)的描述和劃分。

（1）長白山天池火山巖漿囊處于火山口下方10～40 km處，天池火山口西南多發(fā)育有淺部斷層，其火山活動比西北部強烈，且對火山噴發(fā)熔巖流向的控制作用也較強。

（2）西太平洋板塊俯沖作用影響長白山天池火山區(qū)域的構(gòu)造，該區(qū)最大主壓應(yīng)力方向為NEE-SWW，天池火山區(qū)地殼和地幔雙層巖漿房具有互動式噴發(fā)特點。

（3）“千年大噴發(fā)”以前的火山活動歷史研究仍有待于深入，火山內(nèi)部巖漿結(jié)構(gòu)、位置大小等信息仍然需要進一步探究，巖漿演化與火山噴發(fā)機制的問題尚需提供更多的論證。因此，有關(guān)該方面的內(nèi)容是今后深入探究的課題。

參考文獻：

[1] 李 楊. 長白山自然保護區(qū)旅游產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2012.

[2] 楊清福，劉若新，魏海泉，等. 長白山天池火山潛在的火山災(zāi)害評價[J]. 地質(zhì)論評，1999，45（S1）：215-221.

[3] 魏海泉. 長白山火山巖漿柱巖漿上升作用過程[J]. 地學(xué)前緣，2010，

17（1）：11-23.

[4] 馮 晅，遲喚昭，劉 財，等. 長白山及鄰區(qū)地殼、上地幔頂部三維速度結(jié)構(gòu)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2013，（3）：983-992.

[5] 楊卓欣，張先康，趙金仁，等. 長白山天池火山區(qū)三維地殼結(jié)構(gòu)層析成像[J]. 地球物理學(xué)報，2005，（1）：107-115.

[6] 樊祺誠，隋建立，王團華，等. 長白山天池火山粗面玄武巖的噴發(fā)歷史與演化[J]. 巖石學(xué)報，2006，22（6）：1449-1457.

[7] 潘紀(jì)順，顧夢林，趙成斌，等. 長白山天池火山區(qū)淺部構(gòu)造特征研究[J]. 地震學(xué)報，2006，（4）：399-407+450.

[8] 魏海泉，李春茂，金伯祿，等. 長白山天池火山造錐噴發(fā)巖漿演化系列與地層劃分[J]. 吉林地質(zhì)，2005，（1）：22-27.

[9] 王璞珺，衣 健，陳崇陽，等. 火山地層學(xué)與火山架構(gòu)：以長白山火山為例[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2013，（2）：319-339.

[10] 于宏斌，呂忠良，常永祥，等. 長白山火山活動發(fā)展階段及火山災(zāi)害評價[J]. 吉林地質(zhì)，2004，23（4）：34-37，73.

[11] 呂 政，洪漢凈，魏海泉. 長白山天池火山地震活動機理研究[J]. 東北地震研究，2007，01：40-48.

[12] 呂 政，楊清福，張恒榮，等. 長白山天池火山地震活動與西北太平洋俯沖帶內(nèi)中深源地震關(guān)系的研究[J]. 地震地質(zhì)，2007，（3）：470-479.

[13] 段永紅，張先康，劉 志，等. 長白山—鏡泊湖火山區(qū)上地幔間斷面接收函數(shù)研究[J]. 地球物理學(xué)報，2005，48（4）：834-842.

[14] 趙慶英，李春鋒，鄭志豐，等. 用震源機制分析長白山天池火山未來噴發(fā)的動力背景[J]. 地質(zhì)與資源，2008，（4）：245-249.

[15] 李春鋒，張興科，張 旸，等. 長白山天池火山的地質(zhì)構(gòu)造背景[J]. 地震地磁觀測與研究，2006，（5）：43-49.

[16] 樊祺誠，隋建立，李 霓，等. 長白山天池火山雙巖漿房巖漿作用與互動式噴發(fā)[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報，2007，（4）：315-318.

[17] 樊祺誠，隋建立，王團華，等. 長白山火山活動歷史、巖漿演化與噴發(fā)機制探討[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報，2007，17（2）：175-190.

[18] 楊清福，史蘭斌，陳孝德，等. 長白山天池火山一次近代噴發(fā)物的特征[J]. 地震地質(zhì)，2006，28（1）：71-83.

[19] 張秉良，許建東，史蘭斌，等. 長白山天文峰剖面全新世火山噴發(fā)物長石風(fēng)化溶蝕特征及地質(zhì)意義[J]. 地震地質(zhì)，2011，31（1）：15-25.

[20] 尹功明，樊祺誠. 長白山天池火山頂部黃色物質(zhì)成因的初步探討[J]. 地震地質(zhì)，2012，34（4）：739-742.

[21] 許建東，于紅梅，趙 波. 長白山天池火山天文峰黃色浮巖的巖相學(xué)與顯微結(jié)構(gòu)特征[J]. 地震地質(zhì)，2013，（2）：363-370.

[22] 李 霓，Nicole MéTRICH，樊祺誠. 長白山天池火山千年大噴發(fā)巖漿含水量研究——熔融包裹體含水量的紅外光譜測試[J]. 巖石學(xué)報，2006，（6）：1465-1472.

[23] 李 霓，樊祺誠，孫 謙，等. 熔體包裹體對長白山天池火山千年大噴發(fā)的指示意義[J]. 巖石學(xué)報，2008，（11）：2604-2614.

[24] 劉永順，聶保鋒，孫善平，等. 長白山天池火山氣象站期晚期堿流質(zhì)熔巖的巖石學(xué)研究[J]. 現(xiàn)代地質(zhì)，2007，21（20）：296-306.

[25] 于紅梅，許建東，林傳勇. 長白山天池火山千年大噴發(fā)空降浮巖碎屑的形貌特征和最終沉降速度[J]. 地震地質(zhì)，2011，（2）：440-451.

[26] 楊清福，史蘭斌，張 羽，等. 長白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流堆積的粒度特征與地質(zhì)意義[J]. 地震地質(zhì)，2007，（3）：480-491.

[27] 趙 波，許建東，于紅梅. 長白山地區(qū)火山碎屑粒度特征研究[J]. 地震地質(zhì)，2010，（2）：233-243.

[28] 聶保鋒，劉永順，彭 年. 長白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，（1）：70-75.

[29] 盛 儉，呂 晗，王禹萌. 長白山天池火山泥石流堆積物粒度分布及其結(jié)構(gòu)維數(shù)[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報，2012，（4）：132-138.

（責(zé)任編輯：盧紅玲）