黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山空落堆積物形成機制研究

郭磊，劉永順，聶保鋒，黃志聰，侯鵬，李耀，郭可欣

首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京, 100048

內(nèi)容提要：火山碎屑物的粒度、粒形和分布特征蘊含著其形成機制和噴發(fā)的環(huán)境信息?；阽R泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山的一個空落堆積剖面的野外地質(zhì)和巖相學，以粒度分析和分形理論定量研究了火山碎屑物的粒度分布、粒形幾何及其分形特征。蛤蟆塘火山空落碎屑粒度分布均為單峰式，由巖漿爆炸形成的空落浮巖粒度峰值較小，而由射氣巖漿噴發(fā)形成的含細花崗巖碎屑夾層的碎屑粒度峰值較大?？章涓r顆粒的類球度、長寬比和凸度都小于含細花崗巖碎屑夾層的數(shù)值，表明空落浮巖顆粒相對不規(guī)則的特點。利用多段冪律方法擬合了蛤蟆塘火山空落碎屑顆粒分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)空落浮巖顆粒存在四個冪律分布段(即對應四個分形維數(shù))，這是由于巖漿初始破碎、火山通道內(nèi)的二次破碎以及風力篩選作用等造成的；含細花崗巖碎屑夾層的碎屑分布有兩個冪律分布段(對應兩個明顯不同的分形維數(shù))，即浮巖和花崗巖碎屑的形成是因不同破碎機制造成的。

火山噴發(fā)空落堆積物為火山碎屑物在噴發(fā)氣流和大氣氣流的作用下，直接遵循彈道軌跡快速降落至地表，或經(jīng)風力搬運一段距離后在重力作用下依其沉降速度大小先后降落至地面而形成的堆積物(劉祥，1996；陳建文等，2000)?？章浠鹕剿樾嘉锏亩逊e構(gòu)造和序列、巖相和氣孔結(jié)構(gòu)、粒度和粒形的研究，可為了解火山噴發(fā)的動力學過程和預測未來的火山噴發(fā)災害提供線索(于紅梅等，2008，2011；Miyabuchi et al., 2018)。其中，粒度和粒形分析是對火山碎屑物進行量化處理的重要手段。除了傳統(tǒng)的篩分和激光衍射法外，快速高效且不受篩分徑級限制的動態(tài)圖像量化分析方法逐漸被運用于火山學(Paredes-Mario et al., 2017；Buckland et al., 2021)?；鹕剿樾嘉锏牧６忍卣骺捎糜谂袆e火山碎屑物的成因(Walker, 1971, 1983)，也可用于指示火山爆炸強度和碎屑物的搬運過程(劉強等，2009；趙波等，2010)，火山碎屑物的粒形特征反映了火山噴發(fā)過程中的巖漿破碎機制，影響著顆粒的最終沉降速率(Riley et al., 2003；于紅梅等，2011；Liu et al., 2015；Saxby et al., 2020)。天然和實驗數(shù)據(jù)表明，火山爆炸產(chǎn)生的火山碎屑粒度分布遵循冪律規(guī)律，分形維數(shù)可用于量化粒度分布和爆炸強度(張秉良等，2005；Kueppers et al., 2006；白志達等，2006；Perugini et al., 2011；Colo’ et al., 2020)。但火山碎屑的形成往往受多重機制的復雜控制，其粒度分布也不完全代表巖漿初始破碎的結(jié)果，因而有時需要以多種冪律規(guī)律對粒度分布進行擬合(Jones and Russell, 2017；Paredes-Mario et al., 2017, 2019)。將火山碎屑的粒度分布以多種冪律關(guān)系進行擬合，并結(jié)合其粒形特征對火山碎屑物形成機制進行分析的結(jié)果，更符合火山實際噴發(fā)過程。

圖 1 黑龍江及鄰省地理簡圖(a)和黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山區(qū)地質(zhì)圖(b)

進入全新世和現(xiàn)代，火山活動以爆發(fā)為主的我國東北地區(qū)火山群普遍形成過空落火山碎屑堆積(劉祥等，1999，2011)。前人對龍崗火山群和長白山天池火山群的空落堆積物均已做出過較為詳細的粒度研究(白志達等，2006；劉強等，2009；趙波等，2010；于紅梅等，2008，2011，2012；王禹欽等，2019)，但研究方法大多數(shù)仍為傳統(tǒng)的篩分方法，以分形維數(shù)對碎屑物形成方式進行研究時多以單一冪律擬合來分析(張秉良等，2005；白志達等，2006；于紅梅等，2008)，動態(tài)圖像分析的方法僅被用于粒形統(tǒng)計(于紅梅，2013)。對鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山群空落堆積物的研究較少，只停留在對堆積剖面和碎屑顆粒形態(tài)和粒徑的描述上。蛤蟆塘火山空落碎屑堆積可達數(shù)米厚(樊祺誠等，2003)，張招崇等(2001)考察發(fā)現(xiàn)黑色的火山渣直接覆蓋在花崗巖基巖之上，部分被后期的熔巖覆蓋，并把在火山渣中發(fā)現(xiàn)的細?；◢弾r碎屑夾層定義為風化砂沉積夾層。陳洪洲等(2005)認為該夾層為巖漿接觸到地表或近地表水體發(fā)生射氣巖漿噴發(fā)導致圍巖爆炸、崩解的產(chǎn)物。本文選擇了蛤蟆塘11號火山口西南浮石采場中的一個剖面，運用野外測量、顯微觀察和粒度動態(tài)圖像分析方法，對其空落碎屑物的巖相、粒度和粒形特征進行了研究，并以多段冪律方式對其粒度分布進行了擬合，分析了蛤蟆塘地區(qū)空落堆積物特征及其形成機制。此研究對了解爆炸性火山噴發(fā)動力過程、噴發(fā)產(chǎn)物破碎和就位機制以及預測爆炸性火山噴發(fā)災害提供了新案例。

1 鏡泊湖地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

鏡泊湖地區(qū)位于黑龍江省寧安市，

地處東西向的中亞造山帶東部，敦化—密山斷裂帶西側(cè)，吉黑海西晚期褶皺帶上，古新世至全新世火山活動頻繁(張招崇等，1999)。在始新世至全新世期間，該地發(fā)生了從超大規(guī)模的俯沖帶到大陸裂谷構(gòu)造環(huán)境的變化(Okamura et al., 2005)。鏡泊湖全新世火山噴發(fā)受敦化—密山斷裂及其次一級斷裂控制，活動時間為 5.2～5.5 ka BP，形成了位于長汀—大干泡深斷裂上的火山口森林、大干泡、五道溝、迷魂陣、蛤蟆塘5個噴發(fā)中心，10余座火山。

本文研究的蛤蟆塘火山群由11號火山口和12號火山口組成，主要是斯通博利型噴發(fā)。最初噴發(fā)產(chǎn)生的黑色火山渣直接覆蓋在印支期花崗巖之上，火山渣堆積中可見含細花崗巖碎屑的夾層。黑色火山渣被后期薄層熔巖和空落堆積物層(火山彈、熔巖餅、渣狀火山礫)所覆蓋(張招崇等，2001)，其巖性均為響巖質(zhì)堿玄巖(圖1)。

2 火山碎屑堆積剖面野外地質(zhì)特征

本次研究的浮石采場位于蛤蟆塘11號火山口西南側(cè)，距離火山口約1.2 km(圖2a—c)?；鹕藉F坡主要為亮黑色、亮黑紫色、亮黑藍色泡沫狀氣孔構(gòu)造的火山浮巖和火山彈松散堆積。浮巖手標本呈黑色，氣孔構(gòu)造十分發(fā)育?；鹕礁r大小不一，較大的浮巖中可見規(guī)則的圓形氣孔，部分浮巖含有金云母捕虜晶?；鹕藉F坡上可見大的花崗巖原生露頭。

本次研究選擇了浮石采場內(nèi)一個剖面，剖面層序特征如下(圖2d、e)：

(1)上層黑色浮巖層：此層厚度約55 cm，顆粒粒徑主要為1～15 mm，具有弱的逆粒序特點。其下部8 cm, 碎屑顆粒明顯較上層變小，粒徑1 cm以內(nèi)。采樣21JPH-27。

(2)含黃色細花崗巖碎屑夾層：層厚2 cm，顆粒粒徑主要為0.5～10 mm。1～5 mm的顆粒體積約占60%，小于1 mm顆粒占30%左右，黃色細花崗巖碎屑中摻雜著細粒黑色火山砂、火山礫，顆粒大小與花崗巖碎屑相近，該層與上下兩浮巖層之間界線較為分明。采樣21JPH-26。

(3)下層黑色浮巖層：厚約35 cm，顆粒粒徑主要為1.5～15 mm。小于5 mm的顆粒體積約占30%，5～10 mm的顆粒體積約占50%，個別浮巖顆粒較大，20～25 mm左右，體積約占3%左右。采樣21JPH-25。

(4)花崗巖基巖：表層風化，肉紅色到黃色印支期花崗巖，塊狀構(gòu)造，未見底。

3 研究方法

3.1 動態(tài)圖像分析方法

動態(tài)圖像法可在短時間內(nèi)為碎屑物建立粒度粒形數(shù)據(jù)庫(王有鵬等，2019)，逐漸被應用于火山學研究當中。CAMSIZER是以數(shù)字動態(tài)圖像分析技術(shù)對樣品的粒度和粒形特征進行分析和統(tǒng)計處理的實驗儀器，可對30 μm～30 mm的顆粒大小和形態(tài)進行較為精準的分析。樣品從儀器的振動進料通道進料，在軟件CAMSIZER Microtrac Retsch的控制下調(diào)整進料速度，以避免測量區(qū)域中的顆粒聚集。當顆粒落入測量區(qū)域時，顆粒會被兩個數(shù)碼相機以每秒60幀的速率捕獲二維投影。基本相機(CCD-B)負責捕獲大顆粒(尺寸范圍300 μm～30 mm)，變焦相機(CCD-Z)負責捕獲小顆粒(尺寸范圍30 μm～3 mm)。CAMSIZER可對捕獲到的顆粒投影從32個方向進行掃描，記錄其粒度和粒形數(shù)據(jù)，并根據(jù)投影將顆粒假設(shè)為旋轉(zhuǎn)橢球體，估算顆粒的體積，最終粒度和粒形分布結(jié)果以體積百分比的形式呈現(xiàn)。主要參數(shù)解釋見表1。

在粒度測量上，與火山學最常用的篩分法相比，動態(tài)圖像法更快捷便利，不受篩網(wǎng)徑級限制。而且，當以所有掃描方向中最窄的顆粒寬度(xc min)衡量顆粒物粒度分布時，CAMSIZER所得到的粒度分布情況與篩分法基本一致；以等效球徑(xarea)衡量粒度分布時，與激光衍射法一致(Buckland et al., 2021)，這使得不同方法測得的粒度數(shù)據(jù)之間的比較成為可能。在粒形分析上，火山學常用掃描電鏡(SEM)與圖像處理軟件相結(jié)合的方法，與此相比，動態(tài)圖像法可在很短的時間內(nèi)獲得顆粒物的批量粒形數(shù)據(jù)，大大節(jié)省實驗時間，相較于圖像分析軟件以測定碎屑顆粒最小外切矩形的長度和寬度、顆粒最佳擬合橢圓的長軸和短軸、顆粒的面積和周長等來確定碎屑物粒形的方式更加接近碎屑物本身特征。

3.2 粒度粒形實驗和分析方法

筆者等運用德國Microtrac MRB CAMSIZER動態(tài)圖像粒度分析儀對蛤蟆塘火山空落堆積物等進行粒度和粒形分析。首先，將樣品在實驗室內(nèi)烘干，對顆粒粒徑進行初步測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有樣品粒徑均在25 mm以內(nèi)，因此運用CAMSIZER對其分析可確保較高的精確性。而后，在CAMSIZER Microtrac Retsch軟件中設(shè)置以1Φ值為間隔的徑級文件，粒度d表征范圍設(shè)置為-4Φ～5Φ，來表征本文中0.03～25 mm的顆粒。將樣品倒入粒度分析儀進行測量(d/Ф=-log2(D/mm)，D是以mm為單位每個徑級下界的碎屑直徑)，得到以體積百分含量形式呈現(xiàn)的粒度和粒形數(shù)據(jù)(例如：粒徑為1～2 mm的顆粒，D為1 mm，d為0Φ；2～4 mm的顆粒，D為2 mm，d為-1Φ)。

采用McManus(1988)矩法計算粒度參數(shù)，其計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

f為各粒級出現(xiàn)的頻率，dm為各粒級的中間粒度值(例如：粒度d為0Φ的顆粒體積百分含量為20%，表示1～2 mm的顆粒體積百分含量為20%，此時f為20%，dm為-0.5Φ；粒度d為-1Φ的顆粒體積百分含量為10%，表示2～4 mm的顆粒體積百分含量為10%，此時f為10%，dm為-1.5Φ)。

上述粒度參數(shù)中，分選系數(shù)可以用來表示碎屑大小分布的均勻程度。在火山學中，分選系數(shù)為0～1代表分選好，1～2代表分選較好，2～3代表分選差，3～4代表分選很差(Cas et al., 1987)。偏度Sk代表顆粒粒度分布的不對稱程度，其中，正偏態(tài)為偏向粗粒一側(cè)，表示碎屑以粗粒為主，負偏態(tài)偏向細粒一側(cè)，表示碎屑以細粒為主。峰態(tài)可用來度量碎屑物頻率曲線的尖銳度，也就是度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比，反映了顆粒粒度的相對集中程度。賈建軍等(2002)提出了適用于McManus矩法粒度參數(shù)分級表，表中對峰態(tài)的定性描述為：峰態(tài)<0.72為非常窄；0.72～1.03為很窄；1.03～1.42為中等；1.42～2.57為寬；2.57～4.50為很寬；>4.50為非常寬。

從CAMSIZER測得的粒形參數(shù)中，選擇火山學中常用的類球度(SPHT)、長寬比(b/a)和凸度(Conv)來分別衡量蛤蟆塘火山碎屑物的規(guī)則程度、拉長情況和表面粗糙度。類球度可表征顆粒的類球程度(或不規(guī)則程度)，對顆粒形狀的變化敏感，為評估顆粒整體不規(guī)則性的最佳單一參數(shù)。按照Coltelli等(2008)的分類，顆?？煞譃槔饨菭?SPHT<0.6)、次棱角狀(0.60.77)。長寬比體現(xiàn)顆粒的拉長狀況，但無法直接表征顆粒形狀。根據(jù)Folk(1974)的分類，顆?？梢苑譃闃O拉長狀(b/a<0.6)、拉長狀(0.60.75)。凸度量化了顆粒面積的空間分布，因此對顆粒的凹坑最為敏感，可反映顆粒表面的粗糙程度。

3.3 分形維數(shù)理論

分形分析已被應用于描述各種各樣的天然碎片材料(劉永順等，2014)。Mandelbrot(1982)對島嶼群的大小分布進行了研究，并建立了如下方程來量化其分布：

N(r>R)=R-D

(5)

其中D為分形維數(shù)，N(r>R)為r大于給定尺寸R的顆?？倲?shù)。對等式兩邊取對數(shù)：

lg[N(r>R)]=

-Dlg(R/mm)

(6)

天然火山碎屑和模擬實驗研究均已證實火山碎屑物中存在分形破碎機制，火山碎屑尺寸分布的分形維數(shù)可以用來量化火山噴發(fā)期間碎屑物的破碎程度。Tyler和Wheatcraft(1992)以及Turcotte(1986, 1992)開發(fā)了一種更適合碎屑物的“基于質(zhì)量”的方法，并被廣泛應用。等式(5)可用于從它們的線性尺寸R導出每個碎片的質(zhì)量，如果直徑R與篩孔尺寸一致，則通過每個篩孔的顆粒數(shù)可以用通過該篩孔的顆粒總質(zhì)量mT除以每個顆粒的密度來計算：

m(r

(7)

其中m(r

dm∝R3dN

(8)

利用上述公式，建立基于質(zhì)量的分形維數(shù)Dm與D的關(guān)系。

筆者等利用動態(tài)圖像分析得到的粒度分布為基于體積的粒度數(shù)據(jù)。顆粒體積與顆粒直徑有較強的相關(guān)性，因此我們建立：

(9)

其中V(r

對(5)和(9)方程求一階導數(shù)可得：

dN∝R-D-1dR

(10)

dV∝RDv-1dR

(11)

其中直徑為R的顆粒的體積與其直徑R成正比(R3∝V)，因此顆粒數(shù)的增量與顆粒體積的增量遵循：

dV∝R3dN

(12)

將(10)和(11)帶入(12)得到

RDv-1∝R3R-D-1

(13)

即

D=3-Dv

(14)

4 空落堆積物巖相學特征

本文將蛤蟆塘火山空落浮巖在北京大學巖石磨片室制成薄片，采用Nikon Eclipse LV100 POL偏光顯微鏡和NIS-Elements D軟件對磨制好的薄片進行觀察和巖相顯微照片拍攝(圖3)。下層浮巖的斑晶和捕虜晶極少，火山玻璃和氣孔較多，薄片在正交偏光下消光強烈，因此加入石膏試板進行觀察(圖3b)，石膏試板在正交偏光下呈現(xiàn)一級紫紅干涉色，可使薄片干涉色升高一個級序，便于觀察和識別。

圖3 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山空落浮巖的顯微巖相照片:(a)剖面下層浮巖中的氣孔和橄欖石斑晶(單偏光)；(b)同(a)(正交偏光加石膏試板)；(c)剖面上層浮巖中的氣孔、橄欖石斑晶及石英和鉀長石捕虜晶(單偏光)；(d)同(c)(正交偏光)

蛤蟆塘黑色火山浮巖為玻基響巖質(zhì)堿玄巖，斑狀結(jié)構(gòu)，氣孔構(gòu)造。氣孔形態(tài)多為圓形和卵形，少數(shù)氣孔變形呈拉長狀。氣孔化程度較高，氣孔大小分布不均，上層浮巖小氣孔比例較高，氣孔密度大?；|(zhì)為黃褐色火山玻璃。斑晶礦物很少，主要為橄欖石，半自形至他形粒狀結(jié)構(gòu)，無色透明，正高突起，不規(guī)則裂理發(fā)育，三級干涉色。巖漿在噴出地表過程中捕獲有花崗巖等殼源碎屑，巖石中可見石英和鉀長石捕虜晶。石英呈粒狀，正低突起，干涉色一級灰到黃白，邊緣熔蝕，內(nèi)部有裂紋。鉀長石呈板狀，表面渾濁，干涉色一級灰至灰白，常見卡斯巴雙晶，邊緣熔蝕。

5 火山碎屑堆積物粒度和粒形分析

5.1 粒度分析

本文根據(jù)CAMSIZER測得的粒度數(shù)據(jù)，判別蛤蟆塘火山碎屑物成因(圖4)，建立粒度分布直方圖(圖5)和粒度分布累計曲線(圖6)，并采用McManus(1988)矩法計算粒度參數(shù)，對粒度分布特征作出定量和定性描述。分析數(shù)據(jù)詳見表2。

圖4 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物成因類型判別圖(改自Walker，1983)

表2 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物粒度參數(shù)

圖5 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物粒度頻率分布直方圖和粒度累積頻率曲線圖

圖6 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物累積曲線圖

蛤蟆塘火山碎屑物粒度分布直方圖如圖5所示，粒度主要分布范圍為-4Ф～4Ф(顆粒大小主要為1/16～25 mm)，浮巖樣品粒度峰值在-2Ф(4～8 mm)處，含細花崗巖碎屑夾層粒度峰值在0Ф(1～2 mm)處，均為單峰式分布，表明各層堆積物的成因可能較為單一。粒度的大小與火山爆炸程度有關(guān)，爆炸程度越高，粒度Ф值越大?？章涓r樣品21JPH-25和21JPH-27粒度分布特征相似，大部分顆粒粒度都小于或等于1Ф(顆粒粒徑大于0.5 mm)，中值粒度分別為-2.520Ф和-2.506Ф，平均粒度分別為-2.404Ф和-2.192Ф。含細花崗巖碎屑夾層的大部分顆粒粒度分布范圍為-2Ф～2Ф(0.25～8 mm)，中值粒度和平均粒度為-0.512Ф和-0.633Ф，粒度Ф值明顯偏大，表明形成該層碎屑時火山爆炸程度更高，這符合射氣巖漿噴發(fā)特征，即噴發(fā)時水的加入導致巖漿和圍巖的破碎化程度高于巖漿噴發(fā)。分選的好壞與火山噴發(fā)方式和碎屑物的組成有關(guān)，分選值越小，分選越好，但不同計算方法得到的分選值可能有所不同。根據(jù)Inman參數(shù)，浮巖樣品分選為0.825和0.965，分選好，含細花崗巖碎屑夾層的分選值較大，為1.137，分選較好。這主要是由于浮巖碎屑物是由巖漿噴發(fā)形成的，組成成分單一，而含細花崗巖碎屑夾層是由射氣巖漿噴發(fā)形成的，水的加入導致圍巖破碎，增加了該層碎屑物種類，導致分選變差。然而，采用McManus(1988)矩法計算得到的結(jié)果顯示，含細花崗巖碎屑夾層的分選系數(shù)為1.140，與Inman參數(shù)相近，但下層和上層浮巖的分選系數(shù)分別為1.232 和1.338，比Inman參數(shù)計算結(jié)果大得多。這是因為，Inman參數(shù)反映的是碎屑物樣品累計體積在16%到84%內(nèi)的子區(qū)間樣品的分選特征，是樣品的主體特征，而矩法反映的是樣品總體特征(賈建軍等，2002)。浮巖樣品總體分選值的升高，主要是由于其直方圖尾部粒度為-1.721Ф～4Ф(-1.312Ф～4Ф)的顆粒沒有被Inman參數(shù)計算到的緣故，這部分細顆粒降低了浮巖碎屑的分選性。偏態(tài)越正，粒度分布越偏向粗粒。樣品偏態(tài)分別為1.567、0.637和1.698，偏度為正，說明相對于平均粒度，所有樣品粒度分布均偏向粗顆粒，浮巖層比含細花崗巖碎屑夾層更偏向粗顆粒一側(cè)，與上述粒度分布特征相符。峰態(tài)越小，粒度分布越集中。樣品峰態(tài)分別為2.209、1.575和2.282，峰態(tài)定性描述為寬，浮巖峰態(tài)較小，表明其粒度頻率曲線更尖銳，粒度分布相對集中，集中在粗顆粒一側(cè)。

粒度概率累計曲線可在粒度分布直方圖的基礎(chǔ)上，進一步研究粒度分布的變化情況以及碎屑物的搬運過程。根據(jù)粒度數(shù)據(jù)，繪制了蛤蟆塘火山碎屑物的粒度概率累積曲線圖(圖6)。所有樣品的累計頻率曲線均呈較為相近的右側(cè)抬升趨勢，空落浮石樣品之間相似性更為明顯，表明碎屑物在空中搬運和沉降時都受到了相似的重力分選作用。樣品粒度分布范圍窄，斜率大，這是火山碎屑物受風力分選作用的結(jié)果。21JPH-25和21JPH-27以粗顆粒為主，累計曲線靠左；21JPH-26細顆粒更多，曲線總體靠右。在-1Ф～3Ф(1/8～4 mm)的粒度范圍內(nèi)，含細花崗巖碎屑夾層的累積曲線斜率明顯大于空落浮巖，表明細粒含量增加的斜率變大，向細粒端元集中，表明火山爆炸強度更大。

5.2 分形維數(shù)統(tǒng)計

蛤蟆塘火山碎屑物雙對數(shù)粒度分布圖顯示這些碎屑物并非為單一冪律分布特征(圖7 a—c)。因此，我們使用多段冪律分布來擬合蛤蟆塘火山碎屑物。在每段不同的冪律分布中，都存在粒度頻率分布曲線峰值與其對應(圖 7d—e)。確定多段冪律分布分界點的方法為：將圖像中觀察到的可能拐點作為不同冪律分布的分界點進行計算，對該點左右兩端的點進行分段擬合，若線性擬合產(chǎn)生的相關(guān)系數(shù)R2大于0.9、標準偏差S小于0.1，則認為其為有效拐點，取所有有效拐點中能使其兩側(cè)點均具有更好線性擬合的點，作為最終不同冪律分布的分界點。

含細花崗巖碎屑夾層為巖屑和浮巖的混合物，兩者由不同破碎機制控制(圖 7 c)。以2 mm為拐點，JPH-E分形維數(shù)1.073，JPH-F分形維數(shù)為2.7，較小顆粒的分形維數(shù)小于較大顆粒。以10目、孔徑為2 mm的標準篩對其進行篩分發(fā)現(xiàn)，小于2 mm顆粒中花崗巖巖屑和小顆粒玄武質(zhì)浮巖混合存在，花崗巖巖屑約占60%左右，其分形維數(shù)代表著兩者混合后特征，而大于2 mm顆粒中，花崗巖巖屑含量約占10%，其分形維數(shù)更傾向于代表該層中小顆粒浮巖的分形特征。

圖7 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物粒度分布及其分形維數(shù)

5.3 粒形分析

本文通過CAMSIZER對蛤蟆塘火山碎屑物的粒形特征(類球度、長寬比、凸度)進行了定量分析，對其粒形分布特征和粒形隨顆粒大小變化規(guī)律兩方面進行了研究，粒形越接近于1，顆粒越規(guī)則。由于空落浮巖樣品粒徑16～25 mm的顆粒雖占有一定的體積分數(shù)，但其顆粒數(shù)不到樣品顆粒總數(shù)的0.03%，為排除過少顆粒數(shù)造成的偶然性，本文只針對粒度為-3Ф～5Ф(粒徑小于16 mm)的顆粒進行了粒形隨顆粒大小變化情況的分析。

火山碎屑物形狀反映了火山噴發(fā)過程中的破碎機制，主要受到巖漿性質(zhì)和火山噴發(fā)方式的控制。蛤蟆塘火山碎屑物的粒形分布情況如圖8及表3所示。總體來看，粒形分布圖均為單峰，峰值偏右，累計曲線均呈現(xiàn)先凹后凸的特征，證明顆粒先快速向規(guī)則的形態(tài)特征趨近，后變化趨于平緩，也就是說大部分顆粒的形態(tài)都較為規(guī)則。巖漿的性質(zhì)對顆粒形態(tài)有很大影響，相較于其他巖類(如安山巖和流紋巖)，玄武質(zhì)火山碎屑物顆粒更規(guī)則，極端形狀顆粒較少(Andronico et al., 2014)，蛤蟆塘火山碎屑物的粒形特征與玄武質(zhì)火山碎屑物的特征相符。具體來看，浮巖樣品和含細花崗巖碎屑夾層樣品的類球度(SPHT)差異明顯。浮巖類球度分布范圍為0到1，分布范圍很廣，但不規(guī)則顆粒占少數(shù)，絕大部分分布在0.6到0.8之間，平均類球度為0.685和0.691。約20%的樣品呈棱角狀，約45%的樣品為次棱角狀和次圓狀，其余為圓狀和極圓狀。含細花崗巖碎屑夾層顆粒的類球度分布范圍為0.2到1，粒形分布峰值在0.8到0.9，累計曲線比浮巖偏右，更加快速地向規(guī)則形態(tài)趨近，平均類球度為0.773，絕大多數(shù)顆粒為圓狀和極圓狀，比浮巖更為規(guī)則。這與火山噴發(fā)方式有關(guān)。陳洪洲等(2005)通過野外實地觀察得出，蛤蟆塘空落浮巖堆積物多為尖棱角爐渣狀，而射氣巖漿噴發(fā)形成的花崗巖碎屑有很好的圓度，多呈半圓狀，少數(shù)為圓狀，個別呈次棱角狀，夾層中的玄武質(zhì)浮巖也多為火山豆、火山礫，此現(xiàn)象與本文類球度量化結(jié)果一致。與類球度不同，蛤蟆塘火山碎屑物長寬比(b/a)和凸度(Conv)分布差異較小，含細花崗巖碎屑夾層顆粒的粒形值略高于空落浮巖的值。長寬比分布范圍均為0.3到1，有30%左右的顆粒為極拉長狀、拉長狀和次拉長狀，20%為中間形狀和次等軸狀，其余為等軸狀和極等軸狀?；鹕剿樾嫉睦L狀況與巖性有關(guān)，前人研究表明玄武質(zhì)火山碎屑長寬比約為0.7(Riley et al., 2003; Coltelli et al., 2008)，本文空落浮巖長寬比平均值為0.691和0.687，與前人研究類似。凸度絕大部分分布在0.9～1，表明顆粒表面粗糙度不高。凸度受到破碎前熔體中氣泡的尺寸和空間分布控制，氣泡與顆粒外表面的交叉會使顆粒表面產(chǎn)生凹面，增加其粗糙度。一般來說，射氣巖漿噴發(fā)產(chǎn)生的浮巖表面更粗糙(Liu et al., 2015)，但含細花崗巖碎屑夾層中含有大量表面光滑、不含氣泡的致密巖屑，由于本文未對氣泡進行詳細的量化研究，無法精確確定夾層中浮巖的凸度以及氣泡對顆粒表面粗糙度的影響。

表3 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物各徑級平均粒形值

圖8 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物粒形分布圖

除了火山噴發(fā)方式和巖漿性質(zhì)，火山碎屑物的形狀還與顆粒大小有關(guān)，而這種顆粒的粒形與顆粒大小的相關(guān)性，本質(zhì)上受到氣泡大小控制。Mele和Dioguardi(2018)研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒尺寸接近氣泡尺寸，顆粒球形度(表征顆粒不規(guī)則程度的三維指標)減小，不規(guī)則性增加。通常情況下，氣泡大小的模擬值為0.1～1 mm(Rust and Cashman, 2011)，因此Saxby等(2020)認為，此粒徑下的顆粒最不規(guī)則，并在冰島火山灰粒形實驗中發(fā)現(xiàn)，粒徑約為1/8～1 mm的顆粒具有最低的球形度，從而證實了這一觀點。蛤蟆塘火山空落浮巖粒形隨顆粒大小變化規(guī)律與前人研究類似(圖9 a—c；表4)，粒度為0Ф～5Ф(小于2 mm)的火山灰隨著顆粒大小趨近于1/8～1 mm，類球度、長寬比和凸度均變小，在2Ф(0.25～0.5 mm)處，各項粒形值最小，粒形最不規(guī)則。然而，粒度為-3Ф～0Ф(2～16 mm)的浮巖顆粒類球度卻隨著顆粒變大而明顯減小，可能由于浮巖顆粒在地表未受明顯的搬運磨圓作用，而保留了較多的棱角。對本文含細花崗巖碎屑夾層而言，大量致密巖屑的存在使其粒形變化規(guī)律與浮巖不同(圖9 d—f；表4)。粒度為-3Ф～0Ф(2～16 mm)時顆粒的粒形參數(shù)大體隨粒度的增加而增加，最小值存在于大顆粒中；而粒度為0Ф～5Ф(小于2 mm)時粒形隨粒度的增加先減小后增加，最小值出現(xiàn)在2Ф～4Ф(1/16～0.5 mm)之間。

圖9 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物粒形隨粒度變化曲線

表4 黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑堆積物粒形分布(單位：%)

6 蛤蟆塘火山碎屑堆積物形成機制

火山碎屑物的粒度分布是分形的，分形維數(shù)D是不同大小碎片相對豐度的量度，D值越高，表明破碎效率越高，碎片豐度越大(Kueppers et al., 2006；劉永順等, 2014; Paredes-Mario et al., 2017)。如果火山碎屑物的粒度分布顯示出多種冪律分布，往往表明火山碎屑物受到多個形成機制的控制(Turcotte, 1992；Jones and Russell, 2017；Paredes-Mario et al., 2017, 2019)。在接下來的討論中，我們試圖將蛤蟆塘火山碎屑物粒度分布中存在著多段冪律分布的現(xiàn)象與火山噴發(fā)的復雜過程聯(lián)系起來，并討論每段冪律分布下的顆粒形成的主導機制。

6.1 浮巖形成機制

當接近玻璃化轉(zhuǎn)變時所產(chǎn)生的應力克服巖漿拉伸強度時，即當氣泡內(nèi)壁的擴張應力超過巖漿的抗拉強度時，含氣泡的巖漿就會破碎。關(guān)于含氣泡巖漿破碎機制目前已經(jīng)提出了多種方案，如氣泡臨界堆積破碎(Sparks, 1978)、氣泡超壓破碎(Zhang Youxue, 1999)、應變誘導破碎(Papale, 1999)。除了這些初始破碎及其所形成的粒度分布外，空落火山碎屑降落至地面之前還會經(jīng)歷復雜的作用過程，因此不能把樣品所表現(xiàn)出的粒度特征全部歸因于由氣泡生長導致的巖漿破碎。一方面，應考慮到碰撞對顆粒的作用，這種作用包括高能碰撞和低能碰撞，高能碰撞在相對封閉的火山通道內(nèi)普遍發(fā)生，甚至可以持續(xù)到噴發(fā)柱中，碰撞使顆粒發(fā)生二次連續(xù)破碎，生成粒徑更小的顆粒以及大量的火山灰，從而改變碎屑物的初始粒度分布和分形維數(shù)(Dufek et al., 2012；Jones et al., 2016；Jones and Russell, 2017；Jones et al., 2019)。低能碰撞往往發(fā)生在火山碎屑離開火山口附近后，尤其是火山碎屑流中。顆粒間的低能碰撞使得顆粒磨圓，由磨圓作用產(chǎn)生的火山灰對分形維數(shù)的改變很小(Dufek et al., 2012)。另一方面，應考慮風力對火山灰的作用，火山灰易受風力搬運，在局部地區(qū)發(fā)生富集或虧損(Turcotte, 1992；Perugini et al., 2011)，進而改變其分形維數(shù)。

6.2 含細花崗巖碎屑夾層

與巖漿噴發(fā)相比，射氣巖漿噴發(fā)破碎效率更高，產(chǎn)生的碎屑物顆粒粒徑更小(Walker, 1973; Németh and Cronin, 2011; Németh et al., 2012; Van Otterloo et al., 2013; Gjerl?w et al., 2015; Liu et al., 2015)。含細粒花崗巖碎屑夾層是射氣巖漿噴發(fā)的產(chǎn)物。巖漿在上升過程中遇到地下水或地表水，水快速蒸發(fā)、膨脹導致蒸汽爆炸(Liu et al., 2017)。爆炸產(chǎn)生的能量帶動圍巖破碎，形成由浮巖和細粒花崗巖巖屑混合而成的碎屑夾層?；旌铣煞种械母r有著與前文闡述的類似的浮巖形成機制(Paredes-Mario et al., 2017)，巖屑的存在增加了浮巖發(fā)生高能碰撞和二次破碎的概率，促進其快速向著顆粒變小的方向發(fā)展(Buckland et al., 2018；Paredes-Mario et al., 2019)。巖屑形成機制與浮巖不同，Paredes-Mario等(2017)用Carpinteri和Pugno(2002)提出的固體破碎模型來解釋巖屑中存在著兩種破碎機制：①“切割”，在較大的尺度(如巖漿通道中圍巖的破碎)上作用，形成較大的顆粒，能量耗散主要發(fā)生在體積上，分形維數(shù)趨于3；②“研磨”，在較小的尺度(如巖屑撞擊圍巖導致其破碎)上作用，形成較小的顆粒，能量耗散主要發(fā)生在表面積上，分形維數(shù)趨于2。

由于含細花崗巖碎屑夾層中含有兩種破碎機制不同的顆粒，其分形維數(shù)只能用來衡量該層的總體破碎程度，而不能將分形維數(shù)與兩種破碎機制直接對應起來。以2 mm為拐點，該層中存在兩種冪律分布，較小顆粒JPH-E分形維數(shù)小于較大顆粒JPH-F(圖7c)，JPH-E和JPH-F巖屑含量分別為60%和10%，拐點兩側(cè)混合物組成比例的差距可能是其分形維數(shù)差異的關(guān)鍵因素。將該層的分形維數(shù)與浮巖比較發(fā)現(xiàn)，同為小于2 mm的顆粒，JPH-E的分形維數(shù)比JPH-B小很多，沒有出現(xiàn)風力作用下顆粒在采樣點處富集的現(xiàn)象。這是因為粒形特征對顆粒最終沉降速率的影響很大(于紅梅等, 2011; Saxby et al., 2020)。由圖9可知，同粒徑下該層中的顆粒大多比上下層浮巖顆粒規(guī)則，這樣的顆粒沉降速率更大，不易被風力遠距離搬運。除了粒形的影響，花崗巖巖屑密度遠大于浮巖，風力對密度大的巖屑搬運作用略小，使其在距離火山口更近的地方聚集，產(chǎn)生細花崗巖巖屑顆粒富集程度更高、厚度更大的堆積層(張招崇等，2001；陳洪洲等，2005)。

7 結(jié)論

黑龍江鏡泊湖地區(qū)蛤蟆塘火山碎屑物中的空落浮巖層和含細花崗巖碎屑夾層有著不同的粒度粒形特征和分形維數(shù)特征，是由不同的形成機制控制的。

(1)蛤蟆塘火山空落堆積物粒度分布均為單峰式，粒度Ф值[d/Ф=-log2(D/mm)]主要分布范圍均為-4Ф～4Ф(25～1/16 mm)，浮巖樣品粒度峰值均在-2Ф(4～8 mm)處出現(xiàn)，含細花崗巖碎屑夾層的粒度峰值出現(xiàn)在0Ф(1～2 mm)處，粒度Ф值偏大，即顆粒偏小，表明形成該層碎屑時，火山爆炸程度更高。

(2)含細花崗巖碎屑夾層的類球度、長寬比和凸度總體上都大于空落浮巖顆粒，意味其顆粒粒形更為規(guī)則、更趨向于球形和等軸。類球度和長寬比隨粒徑的變化明顯，而凸度隨粒徑的變化幅度很小。對空落浮巖顆粒而言，粒徑為0.25～0.5 mm的顆粒，其粒形最不規(guī)則。