吉林長(zhǎng)白山天池第四紀(jì)火山旋回性噴發(fā)與冰川作用的耦合關(guān)系

王照波 王江月 李寶杰

摘要： 長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)活動(dòng)貫穿整個(gè)第四紀(jì)，旋回性明顯，發(fā)育良好的冰川遺跡，為火山噴發(fā)與冰川作用的耦合性研究提供了有利條件。文章通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山天池第四紀(jì)火山噴發(fā)旋回及火山巖分布特征研究，收集火山噴發(fā)年代學(xué)與冰期-間冰期旋回年代學(xué)數(shù)據(jù)，并利用衛(wèi)片解譯了火山噴發(fā)與冰蝕U谷的關(guān)系。在年代學(xué)數(shù)據(jù)的約束下，根據(jù)天池火山錐體周邊廣泛發(fā)育的U谷遺跡，將研究區(qū)冰川作用分為3個(gè)冰期：錦江冰期、漫江冰期和二道白河冰期，分別對(duì)應(yīng)中國(guó)東部鄱陽(yáng)冰期、大姑冰期和廬山冰期。長(zhǎng)白山天池火山造錐階段噴發(fā)形成的白頭山組3個(gè)階段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），與上述3個(gè)冰期具有良好的耦合關(guān)系。天池內(nèi)部冰斗為白頭山冰期（即中國(guó)東部東山冰期，MIS4）產(chǎn)物，經(jīng)黑風(fēng)口冰期與氣象站冰期（即中國(guó)東部蒙山冰期，MIS2）、全新世冰川作用及火山作用的雙重改造，其基本特征保存至今。長(zhǎng)白山天池冰蓋消融導(dǎo)致的釋壓反彈，可能誘發(fā)了天池火山呈旋回性噴發(fā)。

關(guān)鍵詞： 火山噴發(fā);冰川作用;U谷;長(zhǎng)白山天池;釋壓反彈

中圖分類(lèi)號(hào)：P3436

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20961871（2020）0210808

迄今為止，吉林長(zhǎng)白山一帶第四紀(jì)冰川遺跡的期次劃分仍存在諸多爭(zhēng)議。一種以孫建中[1]為代表，認(rèn)為該區(qū)保存全系列第四紀(jì)古冰川作用的遺跡，主要依據(jù)分布在望天鵝火山周邊的冰磧物，將第四紀(jì)冰川作用由早到晚劃分為四等房冰期、腰嶺冰期、布老克冰期、二道崗冰期和白頭山冰期，分別對(duì)應(yīng)中國(guó)東部龍川冰期、鄱陽(yáng)冰期、大姑冰期、廬山冰期和大理冰期。孫廣友等[2]將孫建中[1]建立的冰期重新劃分為望天鵝冰期（即四等房冰期）、錦江冰期、鴨綠江冰期（即二道崗冰期）和白頭山冰期，但未進(jìn)行冰磧物年齡測(cè)試。另一種以施雅風(fēng)等[3]為代表，認(rèn)為該區(qū)僅發(fā)育末次冰期及之后的冰川作用。末次冰期長(zhǎng)白山的雪線為2 100～2 200 m，且僅限于白頭山天池附近。裘善文[4]認(rèn)為天池火山一帶冰川發(fā)生于末次冰期晚期，當(dāng)時(shí)雪線為2 200 m，部分下延至1 600～1 800 m的槽谷屬于冰緣地貌的“雪蝕槽谷”，認(rèn)為二道白河形似U谷，不一定是冰川作用形成的。張威等[56]和李川川[7]認(rèn)為長(zhǎng)白山發(fā)育末次盛冰期（LGM）與晚冰期，時(shí)間分別為200±21 ka和113±12 ka。綜合多種雪線確定方法，認(rèn)為天池火山末次盛冰期的雪線為2 300±20 m，晚冰期的雪線約2 465 m。將海拔2 000～2 100 m的區(qū)域命名為黑風(fēng)口冰進(jìn)（冰期），將海拔2 400～2 600 m的區(qū)域命名為氣象站冰進(jìn)（冰期）。

除了上述獲得的具有明確年齡值的黑風(fēng)口冰期與氣象站冰期外，目前尚無(wú)研究者對(duì)天池地區(qū)更古老的冰川作用及存在的時(shí)代進(jìn)行研究，原因是長(zhǎng)白山天池火山的后期噴發(fā)作用破壞或覆蓋了前期冰川作用遺跡?；鹕絿姲l(fā)雖然可以破壞前期形成的冰川遺跡，但隨著火山巖測(cè)年手段的多樣化及測(cè)年精度的不斷提高，以及年齡跨度遠(yuǎn)大于冰磧物測(cè)年方法（如14C、光釋光、宇生核素等）[8]的應(yīng)用，為約束火山噴發(fā)期次、限定冰川期次提供了可能性。冰蝕作用形成的地貌遺跡（如U谷）很難徹底被破壞，尤其當(dāng)火山噴發(fā)強(qiáng)度遞減的情況下，U谷更可能得到有效遺存。

由于長(zhǎng)白山天池火山在第四紀(jì)存在多期次旋回噴發(fā)，其造錐作用過(guò)程中火山噴發(fā)強(qiáng)度遞減導(dǎo)致錐體覆蓋面積也逐次遞減。此外，近年獲得大量火山巖年齡數(shù)據(jù)，為利用衛(wèi)星圖片分辨冰蝕U谷與火山熔巖提供了條件。結(jié)合筆者近年對(duì)冰川期次、冰川遺跡和冰蝕地貌研究成果[917]，建立長(zhǎng)白山天池火山旋回性噴發(fā)與冰川作用間的相互關(guān)系，進(jìn)一步分析火山地貌的演化過(guò)程。

1火山巖時(shí)空分布特征

長(zhǎng)白山天池火山位于吉林省東部與朝鮮接壤地帶（圖1（a）），是我國(guó)最大的休眠火山，我國(guó)境內(nèi)最高峰為白云峰，海拔2 691 m。天池火山噴發(fā)活動(dòng)貫穿第四紀(jì)，火山噴發(fā)旋回性明顯，大量年代學(xué)數(shù)據(jù)為天池火山巖噴發(fā)旋回的建立奠定了基礎(chǔ)。

11火山巖分布

長(zhǎng)白山天池火山巖具有盾錐特征，其噴發(fā)歷史可以分為2個(gè)階段：第一階段是以玄武質(zhì)巖漿噴發(fā)為主的造盾階段;第二階段是以粗面巖、堿流巖噴發(fā)為主的造錐階段。

玄武巖盾主要分布在海拔1 200 m以下，構(gòu)成天池火山基座。玄武巖最早噴發(fā)始于5 Ma左右，在20～12 Ma噴發(fā)規(guī)模最大，形成長(zhǎng)白山玄武巖盾[18]。盾體主要由上新世軍艦山組玄武巖（45～21 Ma）[19]和早更新世漫江組玄武巖（20～12 Ma）[20]組成。

由粗面巖組成的錐體分布在1 200 m之上火山口周?chē)?。以火山口為中心，由外向?nèi)，天池火山錐呈由老到新的環(huán)帶狀（圖1（b））。造錐階段早期以粗面巖為主，構(gòu)成火山錐體主要部分;造錐階段晚期以堿流巖為主，呈席狀覆蓋在錐體最上部[21]，主要為早更新世小白山組粗安粗面巖（096 Ma）[20]、老房子小山組粗面玄武巖（087 Ma）[22]。中—晚更新世白頭山組3個(gè)階段的粗面巖構(gòu)成天池火山錐主體，其中Ⅰ階段為061～053 Ma[18]，Ⅱ階段為044～025 Ma[18]，Ⅲ階段為013～008 Ma[22]。潘波[23]分別建立了天文峰期（506 ka）、氣象站期（113 ka）和千年爆發(fā)期（095 ka），八卦廟期火山巖噴發(fā)時(shí)間為085 ka[24]。

12火山巖年齡

根據(jù)前人對(duì)長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)地質(zhì)調(diào)查與測(cè)年結(jié)果[1824]，將天池火山噴發(fā)旋回及年齡數(shù)據(jù)列于表1。

白頭山組與天文峰期火山巖噴發(fā)于中—晚更新世，與第四紀(jì)冰川發(fā)育期相同，為冰川期次劃分提供了年代學(xué)資料。

2火山旋回性噴發(fā)與冰川作用的耦合關(guān)系

火山噴發(fā)形成的錐體與冰川作用形成的U谷是宏觀地貌現(xiàn)象，規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)百米至數(shù)千米，為衛(wèi)星照片解譯提供了可能。位于雪線之上的火山錐在冰期受冰蝕作用后形成冰蝕地貌（冰斗、U谷）。冰蝕地貌遭受火山巖掩蓋，構(gòu)成“火山噴發(fā)—冰蝕雕刻—火山掩蓋—冰蝕雕刻”的循環(huán)關(guān)系。根據(jù)火山巖年代學(xué)數(shù)據(jù)建立噴發(fā)旋回（圖1（b），表1），可知長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)活動(dòng)貫穿整個(gè)第四紀(jì)，其造錐過(guò)程的噴發(fā)強(qiáng)度逐漸減弱。

深海氧同位素階段（MIS）氣候演化的冰期旋回[25]與冰期年齡值為建立火山噴發(fā)與冰期旋回提供了年代學(xué)基礎(chǔ)。深海沉積物中底棲有孔蟲(chóng)的δ18O 值可推斷不同時(shí)期的溫度和全球冰量變化，反映冰期與間冰期的環(huán)境交替，即MIS曲線奇數(shù)階段為暖期，對(duì)應(yīng)間冰期（階），偶數(shù)階段為冷期，對(duì)應(yīng)冰期（階）。此外，深海氧同位素階段的劃分與測(cè)年數(shù)據(jù)相結(jié)合，MIS曲線可完整記錄第四紀(jì)全球氣候的演化規(guī)律[15]。

21老房子小山組—錦江冰期U谷—白頭山組Ⅰ段的疊壓關(guān)系

老房子小山組玄武巖（087 Ma）[22]廣泛分布在天池火山西側(cè)盾體，構(gòu)成第一級(jí)錐體（圖1（b））。其上是典型的U谷，U谷上方被白頭山組Ⅰ段粗面巖（061～053 Ma）[18]掩蓋，形成一級(jí)臺(tái)階（圖1（b），圖2（b））。根據(jù)MIS演化階段，在兩期巖漿噴發(fā)之間為MIS16[25]，即065 Ma左右的中國(guó)東部鄱陽(yáng)冰期或歐洲貢茲冰期[15]。據(jù)此認(rèn)為，該U谷形成時(shí)代為中國(guó)東部鄱陽(yáng)冰期，僅在U谷上端及冰斗部分被白頭山組Ⅰ段粗面巖掩蓋。

殘存的U谷長(zhǎng)4 km，寬350～500 m（圖2（b）），分布在海拔1 200～1 500 m處，構(gòu)成錦江河源頭區(qū)，是長(zhǎng)白山地區(qū)最早具年代約束的冰川遺跡，故將其命名為錦江冰期，對(duì)應(yīng)中國(guó)東部鄱陽(yáng)冰期。現(xiàn)錦江峽谷景觀帶上端即為錦江冰期U谷內(nèi)部，經(jīng)歷60余萬(wàn)年流水侵蝕切割，在谷內(nèi)形成窄小V谷。

22白頭山組Ⅰ段—漫江冰期U谷—白頭山組Ⅱ段的疊壓關(guān)系

白頭山組Ⅰ段噴發(fā)于061～053 Ma[18]，Ⅱ段噴發(fā)于044～025 Ma[18]。053 Ma與044 Ma之間對(duì)應(yīng)于MIS12階段[25]，即距今045 Ma的中國(guó)東部大姑冰期或歐洲民德冰期[15]（圖3），該時(shí)段出露U谷。

白頭山組Ⅰ段與Ⅱ段的火山噴發(fā)面積接近，Ⅰ段粗面火山巖的冰蝕地貌多數(shù)被Ⅱ段粗面巖覆蓋。此時(shí)U谷在漫江發(fā)源天池的支流源頭區(qū)出露較好（圖1（b），圖2（c）），由2條并列的U谷組成，長(zhǎng)約27 km，寬約350 m，海拔1 470～1 700 m。根據(jù)冰川遺跡的年代學(xué)數(shù)據(jù)約束，將該時(shí)期U谷的冰期稱(chēng)為漫江冰期，對(duì)應(yīng)中國(guó)東部大姑冰期。

23白頭山組Ⅱ段—二道白河冰期U谷—白頭山組Ⅲ段的疊壓關(guān)系

白頭山組Ⅱ段（044～025 Ma）[18]在火山錐體分布廣泛，其上分布典型U谷，U谷之上被白頭山組Ⅲ段粗面巖（013～008 Ma）[22]覆蓋，形成臺(tái)階（圖1（b），圖2（d））。根據(jù)MIS演化階段，兩期巖漿噴發(fā)之間為MIS6階段[25]，即015 Ma左右的中國(guó)東部廬山冰期，或歐洲里斯冰期（圖3）[15]。

該時(shí)期殘存U谷長(zhǎng)4 km，寬650 m（圖2（d）），分布在海拔1 500～1 900 m處。長(zhǎng)白山天池二道白河U谷是有年代學(xué)數(shù)據(jù)約束的冰川遺跡，將U谷在該區(qū)的冰期命名為二道白河冰期，對(duì)應(yīng)中國(guó)東部廬山冰期。

24末次冰期冰川遺跡

白頭山組Ⅲ段粗面巖最晚噴發(fā)于008 Ma[22]（表1），分布在天池火山口周邊（圖1（b））。該套火山巖形成的U谷延伸到天池火山最高處（圖2（e）），對(duì)應(yīng)于MIS4階段[25]，是距007 Ma的東山冰期，即歐洲玉木冰期早冰階的遺留部分[15]。其后依次為天文峰期（005 Ma）[23]及堿流質(zhì)爆炸式噴發(fā)火山碎屑巖，無(wú)法完全覆蓋東山冰期冰蝕U谷，其分布海拔為2 000～2 600 m。該冰期遺跡分布在白頭山周?chē)?，以往將末次冰期稱(chēng)為白頭山冰期，本文將末次冰期早冰階對(duì)應(yīng)的冰期改稱(chēng)為白頭山冰期。

末次冰期晚冰階對(duì)應(yīng)于MIS2階段[25]，距今2萬(wàn)年左右的蒙山冰期，即歐洲玉木冰期晚冰階[15]。由于冰川規(guī)模遠(yuǎn)小于東山冰期[10]，其衛(wèi)片影像辨識(shí)度較差。張威等[56]通過(guò)冰磧遺跡測(cè)年研究，將海拔2 000～2 100 m區(qū)域劃分為黑風(fēng)口冰進(jìn)（冰期），時(shí)代為200±21 ka;將海拔2 400～2 600 m區(qū)域劃分為氣象站冰進(jìn)（冰期），時(shí)代為113±12 ka。

25全新世冰川遺跡

目前，關(guān)于天池火山全新世冰川遺跡的研究尚無(wú)報(bào)道。山東蒙山全新世冰磧測(cè)年劃分出82 ka的攔馬冰期和53 ka的清榮冰期[10，12]，長(zhǎng)白山火山口是否存在與攔馬冰期或清榮冰期對(duì)應(yīng)的冰磧遺留，這有待于進(jìn)一步研究。

3討論

31二道白河U谷成因與形成時(shí)間

崔天日等[20]研究了天池北側(cè)二道白溝典型U谷，推測(cè)其形成與斷裂相關(guān)。孫建中[1]認(rèn)為二道白河U谷是冰川作用形成的。孫廣友等[2]認(rèn)為二道白河峽谷為冰川U谷（圖4（a）），形成時(shí)代為中更新世早期老布克冰期（即中國(guó)東部大姑冰期）。裘善文[4]認(rèn)為二道白河形似U谷，但不一定是冰川谷。潘波[23]認(rèn)為二道白河U谷是由第四紀(jì)高山冰川作用形成的U型深谷。

根據(jù)火山巖噴發(fā)期次與二道白河同期次U谷的關(guān)系，筆者認(rèn)為二道白河為冰川U谷，形成時(shí)代為中國(guó)東部廬山冰期（MIS6），并非大姑冰期。二道白河U谷比其他同期U谷延伸長(zhǎng)，原因是白頭山組Ⅲ段粗面巖噴發(fā)時(shí)，在二道白河分布區(qū)噴溢流量較少，未被大面積覆蓋，二道白河U谷才能完整保存。二道白河U谷頂端冰斗斗底高程約1 960 m，推測(cè)廬山（二道白河）冰期最高雪線約1 960 m，其他同期U谷也應(yīng)達(dá)到近似高程，只是被后期白頭山組Ⅲ段粗面巖覆蓋才形成“半截U谷”。推測(cè)在MIS6階段火山口也應(yīng)形成相應(yīng)的冰斗地貌，但被白頭山組Ⅲ段粗面巖掩蓋而不見(jiàn)。

32天池火山口冰斗形成時(shí)間

天池火山口共有8個(gè)冰斗，其形成時(shí)間尚無(wú)定論。根據(jù)冰斗位置，逆時(shí)針將火山口冰斗分別編為1～8號(hào)（圖1（b）、圖4（b）、（c）、（d））。張威等[5]對(duì)3號(hào)冰斗（青石峰冰斗）進(jìn)行冰磧測(cè)年，獲得113±12 ka的年齡，發(fā)現(xiàn)末次冰盛期的冰磧壟[2627]，表明火山口冰斗至少形成于MIS2階段。因火山口冰斗斗底高程高于廬山冰期二道白河U谷冰斗高程，可認(rèn)為其形成時(shí)代為中國(guó)東部廬山冰期（MIS6）之后，最早于東山冰期（MIS4）形成。火山口冰斗地貌的形成在白頭山組Ⅲ段粗面巖噴發(fā)之后（80 ka后）。結(jié)合山東蒙山末次冰期冰川規(guī)模，東山冰期（MIS4）冰川規(guī)模是蒙山冰期（MIS2）冰川規(guī)模的數(shù)十倍[10，12]。研究表明，天池火山口冰斗形成時(shí)間為MIS4階段，其后經(jīng)歷浮巖等碎屑巖的爆炸式噴發(fā)，冰川作用侵蝕未對(duì)MIS4階段形成的冰斗地貌進(jìn)行改造。目前，天池火山口基本地貌特征在MIS4階段形成后基本定型并維持到現(xiàn)今。局部地段受后壁海拔高程影響，在之后的冰期，2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)冰斗進(jìn)一步達(dá)到2 400 m的海拔。在MIS4冰期，天池水面遠(yuǎn)低于現(xiàn)今水面，使MIS4在火山口內(nèi)形成的冰磧被淹沒(méi)。根據(jù)外側(cè)冰蝕地貌，認(rèn)為MIS4階段冰期的最低雪線約為2 000 m。

33二道白河與天池貫通時(shí)間

中國(guó)東部廬山冰期（MIS6）形成U谷后，二道白河成為源頭（圖4（a））保持至現(xiàn)今，MIS6階段在火山口內(nèi)形成的冰斗被后期規(guī)模巨大的白頭山組Ⅲ段粗面巖掩蓋，但二道白河U谷保存下來(lái)。MIS4階段冰期，在乘槎河重新形成1號(hào)冰斗（圖4（b）），二道白河源頭受冰川避谷作用影響，在原來(lái)冰斗前端兩側(cè)形成“羊角谷”，冰蝕作用未使二道白河與天池貫通，只是削低了連接處的高程，該高程應(yīng)高于現(xiàn)在水面100 m左右。

潘波[23]在1號(hào)冰斗內(nèi)乘槎河西坡剖面確認(rèn)八卦廟期（085 ka）黑色粗面巖沉積在白色堿流質(zhì)浮巖（095 ka）之上，白色浮巖之下為松散砂礫石堆積物，礫石磨圓度較好，反映經(jīng)過(guò)了湖水反復(fù)沖刷。該處高出現(xiàn)今水位50 m（圖4（c））[23]，表明乘槎河的貫通時(shí)間在千年大噴發(fā)之前、湖相礫石層形成之后，推測(cè)應(yīng)為中晚全新世，可能在4 ka左右的暖濕雨季，大量降水提升了天池水位，沒(méi)過(guò)1號(hào)冰斗后壁外泄，從而貫通二道白河，在1號(hào)冰斗內(nèi)形成乘槎河，在二道白河冰斗后壁形成長(zhǎng)白山瀑布。

34長(zhǎng)白山是否存在前鄱陽(yáng)冰期

前人在望天鵝火山周?chē)l(fā)現(xiàn)冰川沉積并建立了四等房冰期、腰嶺冰期、老布克冰期和二道崗冰期[1]。腰嶺冰期和二道崗冰期位于階地表面，屬于鄱陽(yáng)冰期后的某一冰期沉積。四等房冰期與老布克冰期可能位于望天鵝火山巖覆蓋之下，也可能在望天鵝火山巖層中。望天鵝火山的最后噴發(fā)時(shí)間為241 Ma[22]，這些夾望天鵝火山噴發(fā)層的冰磧層時(shí)代應(yīng)為早更新世早期或上新世晚期。

35長(zhǎng)白山冰蓋消融釋壓反彈與火山噴發(fā)的關(guān)系

火山噴發(fā)與冰川消融存在明顯的耦合關(guān)系（圖3）。火山噴發(fā)緊隨冰川消融，其內(nèi)在因素尚不清楚，但是冰蓋消融導(dǎo)致地面釋壓反彈已有不少研究[2832]。長(zhǎng)白山天池火山第四紀(jì)大規(guī)模旋回性噴發(fā)，是否與冰蓋消融釋壓反彈有關(guān)，這需進(jìn)一步研究。

4結(jié)論

（1）長(zhǎng)白山天池火山錐體周邊發(fā)育第四紀(jì)冰川遺跡，劃分了錦江冰期（鄱陽(yáng)冰期）、漫江冰期（大姑冰期）和二道白河冰期（廬山冰期）。長(zhǎng)白山地區(qū)錦江冰期的最低雪線約為1 200 m，漫江冰期的最低雪線約為1 470 m，二道白河冰期的最低雪線約為1 500 m。

（2）二道白河U谷是冰川作用形成的典型U谷，形成時(shí)間為中國(guó)東部廬山冰期。二道白河與天池的貫通時(shí)間為中晚全新世。4 ka左右的暖濕期降水沒(méi)過(guò)了1號(hào)冰斗與二道白河冰斗之間的刃脊，天池水外泄。

（3）長(zhǎng)白山天池火山旋回性噴發(fā)可能與天池冰蓋消融釋壓導(dǎo)致地下巖層反彈隆升有關(guān)。

致謝：本項(xiàng)研究得到了中國(guó)石油大學(xué)呂洪波教授、南京師范大學(xué)黃家柱教授、中科院海洋研究所趙松齡教授、南京大學(xué)楊達(dá)源教授、自然資源部第一海洋研究所徐興永研究員、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所錢(qián)方教授、中國(guó)科學(xué)院南京湖泊研究所于革教授、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所蘇德辰研究員、河南地礦職業(yè)學(xué)院張先教授、赤峰學(xué)院顧曉輝教授的幫助與支持，審稿專(zhuān)家與編輯提出了諸多良好建議，在此致以誠(chéng)摯的謝意！

注：文中衛(wèi)星圖片均引自google earth。

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