金山火山活動在區(qū)域黃土沉積中的記錄研究

石曉麗

摘 要：區(qū)域黃土沉積對金山火山活動有著良好的記錄，但未被完全揭示出來。通過野外實地考察和實驗室磁化率和化學(xué)元素的測試結(jié)果表明：1）沉積層中混入火山噴發(fā)物，其理化性質(zhì)會發(fā)生變化。2）黃土沉積層中磁化率為峰值、Rb/Sr比值為谷值，疑似受到火山活動影響的層位；古土壤發(fā)育時期的磁化率值遠(yuǎn)高于其他古土壤層，可能夾雜著火山噴發(fā)物的層位。推斷金山火山至少存在3期活躍期。

關(guān)鍵詞：金山火山；黃土-古土壤序列；火山活躍期；磁化率；Rb/Sr比值

0.引言

第四紀(jì)時期，大同盆地的三個主要地質(zhì)地貌事件之一是火山活動（其他兩個是湖退-湖侵、古人類活動）[1-7]。大同火山群是我國六大著名火山群之一，是我國華北地區(qū)唯一保存完好的第四紀(jì)火山群，在全國各火山群中名列榜首。大同火山群集典型的地質(zhì)遺跡、奇美的自然風(fēng)光、獨特的人文景觀于一園，被譽為“東亞大陸稀有的自然遺產(chǎn)”和“火山地質(zhì)博物館”。大同火山群是第四紀(jì)地殼運動的典型遺存，位于平坦開闊的大同盆地東端和桑干河中游的河谷地帶。在許多地學(xué)家的眼中，無論從群落整體規(guī)模和構(gòu)成形態(tài)的多樣性以及原始景觀保留的完整性任何一個方面去看，大同火山均已成為東亞大陸地區(qū)的人們藉以認(rèn)識該地區(qū)火山地質(zhì)的珍稀標(biāo)本。大同盆地中分布著眾多火山，在大同縣城周邊東西跨越約30km、南北跨越約20km的范圍內(nèi)，分布著31座大小不一的火山（圖1）。

20世紀(jì)30年代開始就有不同的學(xué)者對其活動歷史展開研究。但由于測年手段的不同、野外采樣層位的差異以及火山噴發(fā)的次數(shù)多等原因，目前學(xué)界對其階段性活動歷史還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，關(guān)于其活動年代仍爭論不斷。大同火山活動的階段性歷史是一個尚未被揭示清楚的地學(xué)問題。第四紀(jì)時期，大同盆地中覆蓋著厚層黃土-古土壤沉積層；這些沉積層較好地記錄著區(qū)域氣候變遷與地質(zhì)事件。野外實地考察發(fā)現(xiàn)：區(qū)域火山噴發(fā)會產(chǎn)生大量玄武巖質(zhì)的火山渣、火山砂、火山灰和熔漿，顏色呈現(xiàn)出灰黑色。粗的火山渣、火山砂和熔漿會在火山錐附近沉降或者停止運動，細(xì)的火山灰物質(zhì)隨著風(fēng)飄落到較遠(yuǎn)的沉降。第四紀(jì)大同盆地在湖泊之下形成大同古湖；區(qū)域的沉積特征顯示，區(qū)域南區(qū)的火山一般位于湖泊之下，北區(qū)的火山是處于當(dāng)時的湖岸之上?；鹕交顒釉跁r間上應(yīng)具有階段性，即活躍期和平靜期之分?；鹕交钴S期會在區(qū)域湖相沉積層和黃土沉積層中都會留下記錄。本文的研究對象是金山火山活躍期，金山火山是大同火山群其中之一。金山火山位于區(qū)域的北區(qū)，主要是氣下堆積的黃土沉積物。根據(jù)大量的野外調(diào)查，對金山火山活躍期在區(qū)域黃土沉積中的記錄進行實驗和分析，以揭示其活動期次，并拓展對大同火山活動歷史的認(rèn)識。

1.區(qū)域概況與研究方法

1.1 區(qū)域概況

在陽高-天鎮(zhèn)地塹的西南和黃花梁-砂板梁地塹的東北的隆起是金山火山群，從第四紀(jì)初期開始到現(xiàn)在，金山火山群一直處于隆起的狀態(tài)。在早更新世及中更新世時期，金山火山在湖面之上，所以這里沒有湖相沉積層，上新世時期，在聚落堡處紅土出露到地表之外。在中更新世時期，火山活動噴發(fā)的碎屑沉積物與紅色土互層分布，說明在中更新世時期這里曾經(jīng)發(fā)生過多次的火山活動。

大同火山群里最大的一個火山錐就是金山火山，在許堡-閣老莊斷裂帶上，屬于大同火山的北區(qū)。大同火山形態(tài)多樣，馬蹄形火山是其的主要的形態(tài)。金山火山錐屬于馬蹄形火山，破口向東北敞開，北坡較緩，南坡較陡，北坡的坡度大約在16°左右，南坡的坡度大約在30°左右，南坡的相對高度比北坡高20-30 m。金山火山形態(tài)相對完整，火山山坡上部較陡，下部較緩。金山火山錐中下部的火山礫具有氣孔發(fā)育的特征，火山礫呈裙?fàn)罘植荚诨鹕藉F的周圍，因為具有氣孔發(fā)育的特征使火山礫的比重要小于水的比重，可以漂浮在水體的表面，所以金山又有一個稱呼叫浮石山。由于自然和人為的因素，金山火山錐附近的流水侵蝕和采石挖掘，在大同火山群中，只有金山的火山有著良好的出露，可以觀察內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可以看到熔巖流的流動情況和火山碎屑的沉積層是如何堆積的?？梢愿鶕?jù)熔巖中的氣孔長軸，推測出東北方向為金山熔巖流的流動方向。

金山火山在大同火山群中是保存比較好的火山碎屑錐，金山火山錐的內(nèi)側(cè)為紅色的火山碎屑層并且層理發(fā)育良好，在金山火山錐的外側(cè)沉積的是黑色的火山碎屑層[8]。在野外觀察中發(fā)現(xiàn)金山剖面火山熔巖層以及火山碎屑物直接沉積在黃土之上，可以通過觀察推斷出火山噴發(fā)后熔巖流的流動方向和火山碎屑物的沉積情況。金山火山發(fā)生過多次的火山噴發(fā)，多層火山碎屑物疊加沉積，厚度不一的熔巖層，形成最后的金山火山錐。在金山火山周圍裸露的剖面中，可以看到火山上面覆蓋風(fēng)沉黃土，下部是暗紅色或者黑色火山熔巖、浮石、火山彈等火山碎屑物，火山錐周圍有熔巖舌并且具有薄而窄的特點，四周有較多的羊尾溝分布。

大同盆地中分布著第四紀(jì)河湖相沉積層和黃土-古土壤沉積層，在此期間，間接性火山活動噴發(fā)一些火山碎屑物在大同盆地中沉積，在大同火山群內(nèi)出現(xiàn)黃土-古土壤、河湖相沉積層和火山碎屑物互層分布的特殊現(xiàn)象。金山剖面的沉積特征是黃土與火山灰、火山渣和火山熔巖等火山碎屑物互層分布。

1.2 研究方法

根據(jù)第四紀(jì)區(qū)域沉積環(huán)境的特點，為了了解金山火山活動在黃土沉積中的記錄，在野外實地考察一些出露比較好的黃土沉積剖面。在金山火山錐附近共采集了2個剖面，分別是金山西北溝剖面1和金山西北溝剖面2。

剖面樣品的采集按10 cm的間隔；主要采用了磁化率和化學(xué)元素對剖面的沉積特征進行實驗分析。樣品的預(yù)處理主要有樣品的自然風(fēng)干和研磨，實驗樣品預(yù)處理完后開始進行磁化率測試，用10 ml圓柱形磁化率測量專用無磁性塑料杯子里稱重10 g左右的樣品，使用的電子天平精度為0.1 mg的美國OHAUS Explorer Pro 系列，再使用英國 Bartington 公司生產(chǎn)的MS2型磁化率儀器測量實驗樣品磁化率。對同一個樣品質(zhì)量磁化率進行3次測量，是為了求3次樣品的平均磁化率，提高實驗數(shù)據(jù)的可靠性。最后的磁化率值是平均磁化率除以樣品質(zhì)量然后再乘以10 g，因為質(zhì)量的不同影響磁化率值的高低，磁化率就不具可比性，這樣可以得到標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量磁化率值。在上海師范大學(xué)旅游學(xué)院城市生態(tài)與環(huán)境過程重點實驗室使用美國Innov-X手持型X射線熒光光譜儀實驗完成化學(xué)成分的測試。要用標(biāo)準(zhǔn)樣品對儀器進行校準(zhǔn)，在每次重新測試前都需要進行校準(zhǔn)，把樣品裝入密封的袋中壓實測量。每個樣品需要測量3分鐘，之后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進行數(shù)據(jù)的分析。

2.黃土沉積剖面系列特征

2.1 金山火山西北溝剖面1特征

金山西北溝剖面1（40°7′23″N、113°36′7″E，剖面底部的海拔高度是1180 m）為黃土沉積剖面，大概有12 m，裸露出古土壤S5晚期以來的黃土古土壤沉積層，有S5、S4、S3和S2發(fā)育成熟的4條古土壤層分布其中，自上而下采集了120個樣品。

自上而下剖面沉積層各層特征描述如下：

1.S2 棕紅色、棕褐色，亞粘土，中部有散狀的鈣結(jié)核，底部的鈣結(jié)核成層稀疏分布，結(jié)核呈長柱狀、球狀和扁圓形等。

2.L3 淺黃到褐黃色，粉砂、亞砂土，質(zhì)地均勻疏松，有少量小結(jié)核。

3.S3 淺紅褐色，亞粘土，底部稀疏分布呈球狀、長柱狀和板狀的鈣質(zhì)結(jié)核，延長分布。

4.L4 灰黃色，亞砂土，質(zhì)地疏松均勻，底部有少許鈣質(zhì)小結(jié)核。

5.S4 棕褐色、紅棕色，亞粘土，底部多為橢圓形、

長柱形和錐形等鈣質(zhì)結(jié)核，具有粒狀和棱柱狀結(jié)構(gòu)。

6.L5 淡紅黃色，屬亞砂土，有較平整的斷面。

7.S5 頂部淋溶層，棕褐色，亞粘土，粒狀結(jié)構(gòu)，有根孔。

8.S5 的下部是黃色砂層，混雜著一層黑色條帶沉積物。

對金山剖面1進行了磁化率和化學(xué)元素的分析（圖3），

剖面的磁化率曲線與野外剖面描述的黃土古土壤層位符合，說明野外剖面的判斷是正確的。Rb/Sr值曲線圖說明古土壤發(fā)育時期受到的風(fēng)化作用較強，比值較高[9-12]。磁化率值較高的區(qū)間，元素Ti和Fe含量也呈現(xiàn)出較高值。

為了了解剖面古土壤S5下方砂層中所夾黑色粉砂物質(zhì)的性質(zhì)，用過篩法對層位中黑色粉砂物質(zhì)進行了分離提純，并進行磁化率和化學(xué)元素的實驗。在金山剖面中還采集了不含黑色粉砂物質(zhì)的黃砂樣品、距坡麓稍遠(yuǎn)的古湖近岸處火山碎屑樣用作對比，并做同樣的實驗（表1）。

對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提純后的黑色粉砂物質(zhì)磁化率值、化學(xué)元素含量都高于其他樣品，特別是比不含黑色粉砂物質(zhì)的黃砂樣品高出一個數(shù)量級，Ti、Fe含量也很高。金山火山坡麓處、距坡麓稍遠(yuǎn)的古湖近岸處的火山碎屑樣也具有較高的磁化率和化學(xué)元素含量值；雖然其值低于提純后的黑色粉砂物質(zhì)，但是顯著高于不含黑色粉砂物質(zhì)的黃砂樣品。測試數(shù)據(jù)顯示黑色粉砂物質(zhì)與金山火山坡麓處火山碎屑樣品在這些參數(shù)特征上具有近似性，有化學(xué)元素Ti、Cr、Mn、Fe、Zn、Rb、Sr、Zr、Ba。

2.2 金山火山西北溝剖面2特征

金山剖面1（40°7' 8"N、113°36' 15"E，海拔高度是1190 m），剖面2出露L1到L4的沉積層，大約有17.5 m。剖面中有3條S1、S2、S3發(fā)育成熟的古土壤層和一條L1-ss弱發(fā)育的古土壤層。剖面采取了175個樣品，自上而下的物理描述如下：

1.L1 灰黃、淺灰黃色，接近中部的地方略微有一點呈淡褐色，粉砂、亞砂土，質(zhì)地疏松，不平整的斷面垂直節(jié)理發(fā)育，呈白色斑點分布的碳酸鹽。

2.S1 黃褐色、棕紅色，亞粘土，具棱塊狀、棱柱狀結(jié)構(gòu)，可見白色鈣膜在隙壁表面，底部鈣質(zhì)結(jié)核直立成層，多是圓錐形、長條形、橢圓形和樹枝形等，有的結(jié)核呈現(xiàn)同心圓結(jié)構(gòu)。

3.L2 灰黃、淺黃色，粉砂至亞砂土，質(zhì)地均勻疏松，有較平整的斷面，呈白色小點的碳酸鹽，下端有丸粒結(jié)構(gòu)。

4.S2 上部棕紅色，下部淺棕褐色，亞粘土，呈白色斑點、假菌絲、管狀分布的碳酸鹽，中部有散狀分布的鈣結(jié)核，底部鈣結(jié)核成層、稀疏分布，結(jié)核呈球狀、扁圓形等。

5.L3 淺黃色，粉砂、亞砂土，質(zhì)地疏松均勻，有白色碳酸鹽小點和少量小結(jié)核。

6.S3 顏色較淺，呈淺紅褐色的古土壤層，亞粘土，呈菌絲狀分布的白色碳酸鹽，下端增多。底部零星分布鈣結(jié)核。

7.L4 黃土呈灰黃色，亞砂土，質(zhì)地疏松多孔、均勻，有少許碳酸鹽成白色小點，底層有較少的鈣質(zhì)小結(jié)核。

金山剖面2的磁化率和化學(xué)元素的分析（圖4），野外剖面物理描述所判斷的3條古土壤層S1、S2、S3發(fā)育成熟的古土壤層及1條L1-ss弱發(fā)育的古土壤層與磁化率值曲線變化區(qū)間是一致的。磁化率曲線圖在第1、2、4、6層表現(xiàn)出高峰值，尤其是在第2層的磁化率值遠(yuǎn)高于其他的層位。

3.區(qū)域黃土沉積特征對金山火山活動的記錄分析

金山西北溝剖面1中有2個深度區(qū)間內(nèi)的磁化率值出現(xiàn)異常，表示在黃土沉積層中有一些高磁化率值的物質(zhì)的混入。從第8層中提純的高濃度黑色粉砂物質(zhì)與金山火山錐附近的火山碎屑物在一些特征參數(shù)上雖然有差異，但是數(shù)據(jù)值都很高，反映在物源上它們具有相關(guān)性。區(qū)域火山噴發(fā)物中的磁性礦物阻擋溫度較低（約580℃），磁性礦物類型應(yīng)為磁鐵礦[13]。在對冰島火山的研究中發(fā)現(xiàn)，沉積層中混入火山噴發(fā)物，其的磁化率值會呈現(xiàn)出高峰值、低谷值的變化[14]。因此，判斷金山西北溝剖面1中5個高磁化率深度區(qū)間內(nèi)可能混入火山灰物質(zhì)，第8層中直接觀察到的黑色粉砂是火山噴發(fā)物聚集的結(jié)果。在L3的深度區(qū)間內(nèi)，磁化率值出現(xiàn)小的峰值，但Rb/Sr比值沒有出現(xiàn)小峰值，并且在野外觀察到此層位有火山熔巖層的分布，推出L3的堆積時期受到火山活動的影響。金山西北溝剖面1記錄金山火山曾經(jīng)發(fā)生過2期火山活躍期。

金山西北溝剖面2中有3個磁化率值和Rb/Sr比值出現(xiàn)高峰值及一個小高峰值，分別對應(yīng)野外描述的3層古土壤層和1層在L3中弱發(fā)育的古土壤層。3層古土壤的磁化率值進行對比發(fā)現(xiàn)，古土壤S1發(fā)育時期的磁化率值遠(yuǎn)高于其他的古土壤的深度區(qū)間；這說明古土壤S1發(fā)育時期的層位中混入了一些高磁化率值的物質(zhì)，剖面的磁化率值曲線不僅僅是對曾經(jīng)古氣候變化的反應(yīng)。因此，推斷金山西北溝剖面2中古土壤S1發(fā)育時期層位中混入了火山噴發(fā)物，記錄了金山火山曾有過1期活躍期。

4.結(jié)論

大同盆地中分布著大大小小31座火山，雖然火山活動年代及強度不同，但是活動噴發(fā)的巖漿源頭具有一致性，即區(qū)域的火山活動是受到同以的地下巖漿源頭控制。在活動年代和強度上，不同的火山應(yīng)該具有一定程度上的相似性，綜合表現(xiàn)出區(qū)域火山活動的階段性。了解清楚金山火山的階段性歷史，對大同火山活動的階段性歷史研究可以提供相關(guān)的佐證。

1）黃土沉積層的理化性質(zhì)在火山活動的影響下會發(fā)生異常變化。黃土沉積層中，含有火山灰的古土壤層，其磁化率值和Rb/Sr比值出現(xiàn)遠(yuǎn)高于其他古土壤層；混入火山灰的黃土堆積層，其磁化率值出現(xiàn)高磁化率值、低Rb/Sr比值。

2）金山火山錐附近的2個剖面分別反映出2期和1期活躍期。剖面1反映在黃土層L3堆積時期和S5古土壤層發(fā)育晚期記錄了2期活躍期；剖面2反映在S1古土壤層發(fā)育時期記錄了1期活躍期。綜上，金山火山活動曾經(jīng)至少經(jīng)歷過3期活躍期。

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