廣西北海潿洲島火山最后噴發(fā)活動時代*

許建東 于紅梅 趙波 李建平 魏費翔 周斌 潘波 黃國華

1. 中國地震局地質研究所，吉林長白山火山國家野外科學觀測研究站，北京 1000292. 中國地震局地震與火山災害重點實驗室，北京 1000293. 中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室，北京 1000294. 廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022

廣西北海潿洲島距北海市南21海里，總面積約25km2，是我國最大的第四紀火山巖海島。潿洲島火山的早期研究可追溯到20世紀80年代，廣西壯族自治區(qū)地質礦產局(1985)通過鉆孔資料研究，將潿洲島火山活動劃分為早、中、晚更新世三個噴發(fā)旋回：第一旋回早更新世火山巖主要發(fā)育在潿洲島中部，以夾層的形式產于湛江組地層之間，向南北方向薄；第二旋回中更新世是規(guī)模最大的一次火山活動，以廣布全島的玄武巖熔巖為主，在潿洲島中部厚，向四周變薄，在潿洲島環(huán)島潮間帶也有分布；第三旋回晚更新世以溢流式巖漿噴發(fā)和射汽巖漿噴發(fā)為主。近些年來，又有一些研究者通過開展系列的火山巖同位素測年，結合火山巖地質與地球化學特征，在前人成果的基礎上，將潿洲島火山活動歷史重新劃分為早-中更新世(1.42～0.49Ma)和晚更新世末期(36～33ka)兩期，早-中更新世溢流玄武質熔巖盾造就了潿洲島的雛形，晚更新世末期射汽巖漿噴發(fā)間有巖漿噴發(fā)，形成典型的低平火山口和巨厚基浪堆積，之后的海蝕作用形成了潿洲島的現代地貌景觀(圖1)(李昌年等, 2005; 樊祺誠等, 2006a, b; 孫謙等, 2006)。潿洲島火山的地質活動歷史到目前為止已有了基本共識，但是火山最后噴發(fā)活動時代的問題還缺乏明確結論。火山噴發(fā)危險性預測與潛在火山災害風險評估的實踐中，火山最后一次噴發(fā)時間作為火山災害風險評估的核心指標之一，越來越引起火山學者們和重大工程決策者們的關注。

圖1 潿洲島火山地質簡圖與采樣點分布(據樊祺誠等, 2006b)Fig.1 Simplified geologic map and the sampling locations of Weizhou Island volcano (after Fan et al., 2006b)

潿洲島周圍數百千米范圍內目前存在著建設中的核電廠，也有數個潛在的核電廠候選場址，因此，對于潿洲島火山未來噴發(fā)活動產生的火山災害的影響范圍的評估，具有重要的科學實踐意義。本項研究對潿洲島火山晚更新世以來噴發(fā)物進行了野外地質調查，系統采集了噴發(fā)物年代學樣品并進行了電子自旋共振(ESR)測年，結合前人相關研究成果，確定了最后一次火山活動的時代，為潿洲島火山未來潛在火山災害評估提供了年代學依據。

1 野外地質調查與樣品采集

潿洲島火山晚期噴發(fā)活動主要集中在潿洲島南部南灣火山口地區(qū)，以射汽巖漿噴發(fā)形成的火山碎屑為代表。南灣火山口近圓形，直徑約2km(圖1)，火山口的南面被海浪沖蝕已盡,形成現今的半環(huán)狀港灣——南灣。在火山垣的東、北、西三面均是近似于直立的陡崖，主要由射汽巖漿噴發(fā)的基浪堆積物組成,其間夾有各種火山角礫、巖塊和火山彈，高達50～80m，基浪堆積中發(fā)現的低角度交錯層理、爬升層理和增生火山礫等都具有典型的射汽噴發(fā)成因，所以南灣火山是一座大型射汽巖漿噴發(fā)的火山。更新世南灣火山射汽巖漿噴發(fā)則重塑了潿洲島現代火山地貌景觀。典型噴發(fā)堆積物出露點的地質特征詳見圖2。

南灣鱷魚嘴剖面WZ-1(圖2a)，GPS坐標為21°0′45.67″N、109°5′58.06″E?；鹕蕉逊e物發(fā)育有基浪層理、熔巖餅、火山彈，為近火口相濺落堆積物。

南灣火口北側天后宮后院剖面WZ-2(圖2b)，GPS坐標為21°1′46″N、109°6′1.34″E。巨厚層基浪堆積物、火山渣以及濺落堆積物，從上到下依次為：(1)基浪堆積物，2m厚，頂部已經風化；(2)上部為灰黑色火山彈、火山渣以及濺落堆積物，2m厚，非連續(xù)分布。下部為土黃色火山渣層，2m厚。本層均為巖漿爆破式噴發(fā)的產物，早期的炙熱的火山渣與水發(fā)生作用，表面橙玄玻化，形成土黃色，后期水作用減弱，火山渣為灰黑色；(3)基浪堆積物，出露厚度18m，交錯層理斜層理發(fā)育。

圖2 南灣火口周緣典型噴發(fā)物堆積物發(fā)育特征與年代學樣品采集點(a)南灣鱷魚嘴 WZ-1剖面照片；(b)南灣天后宮后院WZ-2剖面照片；(c)豬仔島WZ-7剖面照片；(d)五彩灘WZ-8剖面照片及素描圖；(e)南灣火口東側海邊WZ-10剖面照片及素描圖Fig.2 Typical outcrops of the eruption deposits surround Nanwan crater and locations of the dating sampling sites(a) Section WZ-1 in the Eyuzui of Nanwan crater; (b) Section WZ-2 in the Mazu Temple back yard of Nanwan crater; (c) Section WZ-7 in the Zhuzai island of Nanwan crater; (d) Section WZ-8 near the Wucai beach of Weizhou Island; (e) Section WZ-10 in the east of Nanwan crater

豬仔島WZ-7剖面(圖2c)，GPS坐標為21°1′13.99″N、109°6′34.77″E。剖面從上到下依次為：(1)基浪堆積物，厚度3m，發(fā)育交錯層理、斜層理；(2)近火口相的堆積物，上部為灰黑色火山渣、火山彈和熔巖餅等，厚度2m，下部為土黃色火山渣，厚度2.2m；(3)基浪堆積物，厚度3m，發(fā)育交錯層理、斜層理，未見底。該剖面與天宮后院剖面相似，反映了南灣火山由射汽巖漿噴發(fā)，到巖漿爆破式噴發(fā)，最后到射汽巖漿噴發(fā)的活動過程。

南灣火口東側五彩灘WZ-8剖面(圖2d)，GPS坐標為21°1′27″N、109°7′33″E。剖面上部分為風化層，在風化層底部取樣品WZ-8-1；下部為基浪堆積物地層，交錯層理和斜層理發(fā)育。該部分可以細分為5層，從上往下依次為灰黑色基浪堆積地層-土黃色基浪堆積地層-灰黑色基浪堆積地層-土黃色基浪堆積地層-灰黑色基浪堆積地層，地層顏色的不同主要由碎屑成分不同造成，含有巖漿碎屑和玄武巖圍巖碎屑多的地層顏色顯灰黑色，反之為土黃色。

南灣火口東側海邊WZ-10剖面(圖2e)，GPS坐標為21°1′25.06″N、109°6′40″E?；鹕交硕逊e物地層，交錯層理和斜層理發(fā)育，上部發(fā)育風化層，從上往下依次取樣，WZ-10-1、WZ-10-2、WZ-10-3、WZ-10-4和WZ-10-5，共5個樣品。

綜合上述南灣地區(qū)地層典型剖面火山堆積物發(fā)育特征可以看出：南灣地區(qū)火山活動早期主要為射汽巖漿爆破式噴發(fā)，噴發(fā)產物為基浪堆積物；中期為巖漿爆破式噴發(fā)，主要產物為火山渣以及濺落堆積物；后期為射汽巖漿爆破式噴發(fā)，噴發(fā)產物仍然為基浪堆積物，規(guī)模??；末期為弱爆破式噴發(fā)，噴發(fā)產物是濺落堆積物，規(guī)模小，噴發(fā)不是很連續(xù)，僅在鱷魚嘴附近有出露?；鹕絿姲l(fā)物影響的范圍僅局限火口附近。從火山地貌上來看，南灣火山不僅僅是一個南灣火口組成，很可能是由多個火口組成。

2 樣品年代學測試與分析

國內外許多學者開展火山烘烤層和火山碎屑物的測年研究已有幾十年的歷史，其方法包括14C、光釋光(OSL)和電子自旋共振(ESR)法等。ESR法是測定火山烘烤層和火山碎屑物的一種十分有效的測年技術手段，ESR測年技術自身近年來經過實驗研究不斷完善，在碎屑沉積物的測年精度和準度方面也取得了較大進展(劉春茹等, 2013)，特別是對火山碎屑物質測年也不乏多個成功實例(Toyodaetal., 2006, 2009; Asagoeetal., 2011; 尹功明等, 2013)，它彌補了其它兩種測年方法地質時代的間斷連接，對于研究火山活動歷史發(fā)揮了重要作用。本次研究在對潿洲島火山詳細野外勘察的基礎上，從潿洲島東部五彩灘和南灣火口東側火山射汽巖漿噴發(fā)形成的火山碎屑層中的上部，分別采到風化土和多個土黃色火山基浪堆積物樣品(圖2d, e)，在中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室完成了樣品的前期處理和分析測試。

2.1 ESR樣品前處理與石英顆粒輻照

在實驗室內，根據樣品性狀不同取一定數量的原樣品稱重，選出100～200μm粒徑的樣品；用雙氧水浸泡處理去除樣品中的有機質；用鹽酸浸泡處理去除樣品中碳酸鹽類；氫氟酸侵泡處理(蝕刻)去除長石礦物及石英顆粒外部α輻射貢獻的表層部分。蒸餾水沖洗并低溫烘干，通過磁選去除磁性礦物；最后，在顯微鏡下作礦物鑒定，獲取石英顆粒。每個樣品稱小樣10等份(每份稱重0.25g)，分別接受不同附加輻照劑量，輻照劑量范圍為0～4000G。本次輻照在北京大學放射化學院鈷源實驗室用輻射源(60Co)完成。

2.2 樣品測試與ESR年齡結果

樣品測試采用德國布魯克公司生產的EMX BRUKER X-Band ESR波譜儀，在中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室的ESR實驗室完成。石英Ge心ESR信號測量參數：測量功率2.0mW；微波頻率9.8GHz；中心磁場3520G；掃場寬度50G；轉換時間5.12ms。時間常數40.96ms。隨著附加輻照劑量的增加，Ge信號強度也隨之增大。所有樣品均在相同條件下測量3個不同方向上的信號，取平均值作為該樣品的ESR信號強度。根據ESR信號測量結果帶入計算軟件，計算出古劑量。

環(huán)境劑量率測量是電子自旋共振測年的重要參數之一，樣品所吸收的環(huán)境輻射劑量是其本身及周圍物質中放射性核素(U238、TH232和K40)的α、β和γ衰變產生的電離輻射所提供的，同時也有宇宙射線的少量貢獻。樣品埋藏層的水含量，對樣品所接收的劑量率也有不可忽視的影響。水對α、β和γ輻射有一定的吸收作用，根據樣品的鈾、釷、鉀含量和樣品埋深宇宙射線的貢獻及含水量等參數，計算出樣品環(huán)境劑量(年劑量)。

在獲得上述各參數的基礎上，可計算得出樣品的ESR年齡。本次研究樣品的測量參數和計算結果見表1。

表1 基浪堆積物和風化土ESR測年結果

由表1可以看出5個樣品ESR測量信號較好，樣品年齡結果±誤差為10%～20%?；鹕交硕逊e物上覆風化土的ESR年齡為7.7±1.54ka，而4個基浪堆積物ESR年齡在誤差范圍內基本一致，平均為19.5±3.73ka。

2.3 光釋光(OSL)年齡與潿洲島火山最后噴發(fā)時間

在過去的工作中，已有研究者(樊祺誠等, 2006a)曾從南灣火山射汽巖漿噴發(fā)形成的約60m高的陡崖上、下兩層火山碎屑層中，分別采到了灰白色粗砂巖和磚紅色細砂巖，2個樣品均為被噴出的火山碎屑巖捕獲并膠結烘烤的砂巖捕虜體樣品。根據光釋光(OSL)測年結果(表2)，上、下兩層火山碎屑巖中砂巖的捕獲年齡為晚更新世末期(分別為33.7±1.8ka和33.7±0.4ka)。

表2 南灣火山巖中砂巖捕虜體巖性和光釋光(OSL)測年結果(引自樊祺誠等, 2006a)

綜合潿洲島基浪堆積物與風化土ESR測年和砂巖捕虜體光釋光(OSL)測年，認為南灣火山最后一次噴發(fā)發(fā)生在距今1.3～3.3萬年的晚更新世末期。

3 主要認識與結論

潿洲島火山活動可分為兩期，早期為早-中更新世(1.42～0.49Ma)玄武質熔巖溢流式噴發(fā)，形成了潿洲島的雛形；晚期為晚更新世末期(33～13ka)射汽巖漿噴發(fā)和少量巖漿噴發(fā)，形成以南灣為代表的典型低平火山口和巨厚基浪堆積。綜合ESR和OSL測年結果，最后一次噴發(fā)的時間為晚更新世晚期至全新世早期，距今約13～33ka。