长白山天池火山千年大喷发2期空降浮岩对比
王禹钦, 于红梅*, 许建东, 陈正全, 赵波
中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
*通讯作者: 于红梅, 女, 副研究员, E-mail: yuhongmei@ies.ac.cn

〔作者简介〕 王禹钦, 男, 1993年生, 2018年于中国地震局地质研究所获构造地质学专业硕士学位, 主要研究方向为火山地质, 电话: 010-62009012, E-mail: 782027230@qq.com

摘要

长白山天池火山的喷发历史和喷出物层序一直以来是人们关注的焦点。目前, 对于千年大喷发以来空降堆积物, 尤其是灰白色空降浮岩层之上的粗面质杂色空降浮岩的地层划分仍具有较大争议。文中通过对野外地层的详细观察, 对2层空降浮岩层进行对比研究, 发现两者之间没有沉积间隔, 认为2期空降浮岩均应划分为千年大喷发的喷发物。下部赤峰期灰白色空降浮岩成分较为均一, 呈棱角状, 正粒序, 分选较好; 上部圆池期喷发为脉动式喷发, 岩性为富土黄色浮岩和富黑色浮岩颗粒互层, 浮岩呈棱角状, 粒序不明显, 分选较好。2期浮岩粒度呈正态分布, 在中值和分选系数图中均投点于空降堆积区内。浮岩内斑晶以长石和辉石为主, 但圆池期黑色浮岩内斑晶含量略高。赤峰期空降浮岩为灰白色碱流质, 气孔较大, 连续贯通, 气孔壁薄。圆池期土黄色空降浮岩为粗面质, 气孔连通, 气孔壁略厚; 黑色浮岩颗粒成分虽然也投点为粗面质, 但SiO2含量明显较低, 气孔度低, 气孔壁厚。圆池期喷发强度较赤峰期喷发强度弱。多种岩浆成分说明长白山天池火山下具有复杂的岩浆系统, 多种岩浆可能以分层的形式存在, 赤峰期仅喷出了上部的碱流岩, 圆池期的脉动式喷发喷出了不同层位的岩浆。

关键词: 空降浮岩; 粒度; 气孔结构; 成分; 千年大喷发; 天池火山
中图分类号:P317.3 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)01-0208-17
A COMPARATIVE STUDY ON THE CHARACTERISTICS OF TWO STAGES OF FALLOUT PUMICES DEPOSITS FROM THE MILLENNIUM ERUPTION OF TIANCHI VOLCANO IN CHANGBAISHAN AREA
WANG Yu-qin, YU Hong-mei, XU Jian-dong, CHEN Zheng-quan, ZHAO Bo
Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology,China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Tianchi volcano in Changbaishan area is located at the border between China and Democratic People’s Republic of Korea, and is one of the most dangerous volcanoes in China. It has experienced several explosive eruptions in late Pleistocene and Holocene, i.e. 50000a BP eruption, 946 AD eruption, 1668 AD eruption, 1702 AD eruption, 1903 AD eruption. Especially, the 946 AD eruption(also known as “Millennium eruption”)of this volcano is considered to be one of the largest volcanic eruptions in the world in the past 2000a. The eruption history and strata sequence of Tianchi volcano have long been the focus of attention. The stratigraphic unit division of fallout deposits in the past millennium is controversial, especially for the heterogeneous trachytic pumices(erupted from the Yuanchi stage)above the off-white pumices(erupted from the Chifeng stage).

In this paper, through the detailed field exploration and strata comparation, it was found that there was no depositional interval between the two stage eruptions, or the interval was not long, and thus, it is believed that two stages of fallout pumice should be classified into the Millennium eruption. The off-white fallout pumices in Chifeng stage are relatively homogeneous, with angular shape, normal grading and good sorting. The median size( MdΦ)and the sorting coefficient( σΦ)of Chifeng pumice are in the range of -4.25~-1.3 and 0.93~1.53, respectively. The eruption of Yuanchi stage is in pulsing pattern, and the strata show interbedding of rich khaki pumice layer and rich black pumice layer. The pumices with angular shape show inconspicuous grain grading and good sorting. The median size( MdΦ)and the sorting coefficient( σΦ)of Yuanchi pumice are in the range of -2.55~-0.6 and 1~1.68, respectively. Both the granularities of the pumice particles from two stages are normally distributed and fall into the air-fall field in the median diameter versus sorting diagram. The pumices from 50000a BP and pyroclastic flow of Millennium eruption were also shown in the diagram.

Phenocrysts in pumices are mainly feldspar and pyroxene, but the phenocrysts with obvious resorbed characteristic in Yuanchi black pumice are bigger, and the phenocryst contents are a little higher than those in others. Feldspar content in off-white pumice in Chifeng stage was 0.24%~1.77%, that in khaki pumice in Yuanchi stage was 0.2%~7.5%, and that in black pumice in Yuanchi stage was 3.02%~8.0%. The phenocrysts in Chifeng pumice are broken, which represents more violent explosion. The vesicles inside the pumice also reflect the intensity of the eruption. The Chifeng pumices have large, continuous vesicles and thin vesicle walls. The Yuanchi khaki pumices have continuous vesicles but thicker vesicle wall than the Chifeng pumices. The vesicularity is the lowest and the vesicle walls are the thickest in the black pumices in Yuanchi stage, indicating the eruption strength become weaker from Chifeng stage to Yuanchi stage.

The Chifeng pumices with SiO2 content of 69.12~72.71wt%, K2O content of 4.33~4.52wt%, Na2O content of 5.26~5.39wt%, Al2O3 content of 10.32~11.99wt%, CaO content of 0.29~0.95wt%, MgO content of 0.11~0.51wt%, TiO2 content of 0.23~0.43wt% are comendite in composition. The pumices from 50000a BP eruption are comendite in composition, and their SiO2 content(65.56~68.28wt%)is slightly lower than Chifeng pumices. The Yuanchi khaki pumices with SiO2 content of 62.14~63.29wt%, K2O content of 5.35~5.7wt%, Na2O content of 5.35~5.62wt%, Al2O3 content of 15.00~15.59wt%, CaO content of 1.06~1.61wt%, MgO content of 0.25~0.57wt%, TiO2 content of 0.4~0.64wt% belong to trachyte in composition, and are close to the composition of the black pumices on the Tianwen Peak. The Yuanchi black pumices are also trachyte in composition, but have obviously lower SiO2(59.51~60.59wt%), K2O(4.39~4.84wt%), and Na2O(4.94~5.08wt%)content, and higher Al2O3(15.81~16.42wt%), CaO(2.78~3.66wt%), MgO(1.43~1.9wt%), TiO2(1.04~1.4wt%)content than the khaki pumices.

The above results show that the eruptive intensity of the Yuanchi stage is weaker than that of the Chifeng stage and the several magmatic compositions of pumices from the Millennium eruption reveal a complex magma system under the Tianchi volcano. The magma layers with different compositions may exist in the magma chamber contemporaneously. At Chifeng stage, only the upper comendite magma erupted, but the magma below erupted in the pulsing pattern at the Yuanchi stage.

Keyword: fallout pumice; particle size; vesicle structure; composition; the Millennium eruption; Tianchi volcano
0 引言

长白山天池火山位于吉林省东部中朝边境上, 是一座大型的复式活火山。该火山于(946± 3)AD发生了大规模的喷发(Xu et al., 2013), 对全球气候造成了巨大的影响, 被认为是世界上历史时期规模最大、 影响最广的火山喷发之一(Machida et al., 1983), 也被称为 “ 千年大喷发” 。其年代较新, 野外喷发物保存较为完整, 因此, 其喷发年代、 分布范围、 灾害评估也受到广泛关注(杨清福等, 1996, 1998; 魏海泉等, 1997; 刘祥等, 2004; 刘祥, 2006; 于红梅等, 2012; Yu et al., 2013; Pan et al., 2017)。

刘嘉麒等(1982)对天池火山在新生代以来的火山活动及其特征进行了详细研究。汤德平等(1989)、 刘若新等(1998a, b)、 郑祥身等(1998)李霓等(2004)樊祺诚等(2007)魏海泉(2010)等通过大量的岩石地球化学数据及岩浆通道的模拟, 反演了长白山火山岩浆的演化过程, 逐步建立了造盾、 造锥到全新世的喷发属于粗面玄武岩— 玄武质粗安岩— 粗面岩— 碱流岩的演化系列。郭正府等(2005)通过测试斑晶包裹体与共存的玻璃基质之间的挥发份含量差, 获得了火山气体喷发含量, 得出天池火山所喷出的气体从早到晚的含量变化, 评测了其对环境的影响。许东满等(1993)划分了天池地区上新世以来的火山活动地层单元, 金伯禄等(1994)划分了新生代火山喷发的期次, 二者均把千年大喷发的灰白色碱流质浮岩命名为白云峰期, 将白云峰组之上的黑色粗面质浮岩命名为八卦庙期。杨清福等(1998)结合大量野外资料, 根据空降物粒度在天池近、 中、 远缘的变化, 分析了千年大喷发空降物的分布范围, 认为在风力影响下, 空降浮岩由NW向SE呈扇形分布。刘祥(2006)对千年大喷发的空降物以及碎屑流、 泥石流进行了更为详细的野外探查, 认为千年大喷发包含2次间隔不长的普林尼式喷发, 并分别命名为赤峰期和圆池期(图1)。本次野外考察中也发现该区在千年大喷发的灰白色空降浮岩层之上存在一期空降层, 2层空降分别对应刘祥(2006)提出的赤峰期和圆池期喷发。潘波(2016)的最新研究显示该土黄色浮岩层与白云峰顶黑色粗面质浮岩(八卦庙期)为同期喷发物, 并否定了前人认为的千年大喷发与八卦庙期之间存在时间间隔的观点, 提出2期可能为连续喷发活动。

图1 天池火山千年喷发空降堆积物分布图(据刘祥, 2006和潘波, 2016修改)Fig. 1 Sketch map on the distribution of fallout tephra of the Millennium eruption of Tianchi volcano (after LIU Xiang, 2006; PAN Bo, 2016).

表1 天池火山千年喷发产物及期次划分汇总表(据Pan et al., 2017修改) Table1 Summery of the chronostratigraphy of the Millennium eruption of Tianchi volcano(after Pan et al., 2017)

关于 2 层空降物的喷发时代目前还存有较大的争议(表1), 并且上层空降物成分较复杂, 以土黄色浮岩为主, 夹杂黑色浮岩、 岩屑和晶屑。本次研究以千年大喷发产生的2层空降浮岩堆积(沿用刘祥(2006)的命名方式, 分别称其为赤峰期和圆池期)为研究对象, 进行了详细的野外地层观测, 采集了大量碎屑样品, 进行碎屑粒度、 岩相学和成分的测试及对比分析, 获取2次空降喷发之间的关系、 喷发特征和岩浆成分的变化特征。

1 野外地层堆积特征

赤峰期的灰白色空降浮岩沿火口呈SEE向分布。这一期空降物在圆池— 钓鱼台一带现象非常一致, 层理清晰, 成分均一。略微有所不同的是, 因地势高低不同, 其上所覆盖的灰白色浮岩的碎屑流有所差异。圆池期的土黄色和黑色空降浮岩颗粒主要沿火口正东向分布, 在火口NE的东方红林场区域、 正东方向的圆池一带以及NNE向的黑石沟— 老房子小山一带都有广泛分布(图1)。但是各处的空降堆积层序有很大的差异。具有代表性的剖面主要有4处, 分别是圆池剖面、 黑石沟剖面、 老房子小山剖面和东方红大桥剖面。其中, 圆池剖面和黑石沟剖面的地层最为详实地记录了火山喷发的过程。

1.1 圆池剖面

圆池剖面位于天池火口正东方向约30km, 因此地现存圆池湖而命名。千年大喷发堆积物位于近地表腐殖质之下约20cm, 可观测到总厚度约90cm的空降浮岩, 剖面层序如下(图2):

①富集土黄色浮岩层。此层厚度6~9cm。粒径较大, 0.5~1.5cm, 混杂少量黑色浮岩颗粒、 晶屑和岩屑。顶部约2cm富集黑色浮岩颗粒, 夹少量土黄色浮岩, 黑色浮岩含量高, > 80% , 与地表土壤植被根系接触。

②黑色与土黄色浮岩颗粒混杂层。厚9cm, 下部4cm为土黄色浮岩夹少量黑色浮岩、 晶屑、 岩屑, 中间层厚2cm, 土黄色浮岩含量显著增加; 上层3cm为土黄色浮岩混杂黑色浮岩、 晶屑和岩屑。此层中的土黄色浮岩颗粒粒径较小, 大多约0.5cm, 不超过0.7cm。

③碎屑泥沙层。厚7cm, 以晶屑、 岩屑和火山灰为主, 夹杂灰白色浮岩颗粒, 浮岩粒径普遍较小, 仅约1cm。

④赤峰期灰白色正粒序千年大喷发空降浮岩。厚45cm, 下部粒度较大, 粒径可达1.7cm左右, 中部0.7cm左右, 上部0.2cm左右。

在圆池附近, 向E至钓鱼台的其他区域, 地势较高, 赤峰期的灰白色空降浮岩有着广泛的分布, 但是除了圆池剖面外没有发现任何土黄色空降浮岩层。因此, 第2次普林尼式喷发时的风向可能更偏SW-NE方向。

图2 圆池剖面野外照片及剖面地层图Fig. 2 Field photo and strata sequence of Yuanchi profile.

1.2 黑石沟剖面

黑石沟位于天池火山东15km, 为发育自火口东缘的一条大型冲沟, 因沟内无长流水, 故被当地人称为干沟。该处堆积了巨厚的火山碎屑, 并在顶部堆积了圆池期土黄色浮岩和黑色浮岩。因修建公路, 在黑石沟— 老房子小山沿线都可以观测到不同层厚、 不同层序的圆池期空降物。黑石沟剖面总体厚约50cm, 剖面特征如下(图3):

图3 黑石沟剖面野外照片及剖面地层图Fig. 3 Field photo and strata sequence of Heishigou profile.

①富土黄色浮岩层。厚约6cm, 为土黄色浮岩中夹杂黑色浮岩颗粒, 成分混杂, 土黄色空降浮岩粒径更大, 约2cm, 与地表接触。

②黑色浮岩颗粒富集层。厚约3cm。

③富土黄色空降浮岩层。厚约2cm, 夹杂大量的黑色浮岩颗粒, 成分混杂, 土黄色空降浮岩的粒径为1~2cm。

④黑色浮岩富集层。厚约6cm, 黑色浮岩颗粒粒径< 0.2cm。

⑤富土黄色空降浮岩层。厚约18cm, 粒度较大, 此层中土黄色浮岩粒径为1~1.7cm, 同样夹杂了大量的黑色浮岩颗粒。

⑥富土黄色空降浮岩层。厚18cm, 粒度较小, 粒径在0.3~0.6cm之间, 夹杂大量的黑色浮岩颗粒, 成分混杂。

⑦火山碎屑流。可见厚度1m, 夹杂大量千年大喷发的灰白色颗粒, 火山灰支撑。

1.3 老房子小山剖面

老房子小山剖面位于天池火口NE方向约17km, 黑石沟NW约5km。该处以旧林场保护站和保护站旁边的小山而得名。小山实际为玄武岩采石场, 在采石过程中, 出露完整的圆池期空降浮岩剖面。该处地势较高, 难以形成小规模积水, 有利于空降物堆积, 且空降物层面也很少受到碎屑流的侵蚀, 因此, 在该处发现了互层现象最清晰明显的原生空降剖面。

图 4 老房子小山剖面野外照片及剖面地层图Fig. 4 Field photo and strata sequence of Laofangzi Xiaoshan profile.

富土黄色空降浮岩和富黑色浮岩互层, 共计约72cm(图4), 肉眼可见二者至少有9层:

①黑色浮岩颗粒。厚约10cm。

②土黄色空降浮岩。厚约4cm, 成分混杂。

③黑色浮岩颗粒。厚约7cm。

④土黄色空降浮岩和黑色浮岩颗粒互层(4~6层)。共厚约20cm, 每个空降序列厚2~4cm。

⑤黑色浮岩颗粒。厚约9cm。

⑥土黄色空降浮岩。厚约18cm。粒度较大, 最大粒径可达7cm。

⑦火山碎屑流。可见厚度> 1m, 夹杂千年大喷发的灰白色颗粒, 火山灰支撑。

底部的黑色颗粒层和土黄色浮岩层厚度较大, 中间层和顶部层厚度较薄。底部厚层的土黄色空降粒度也明显较中间粗。这表明喷发的初始阶段规模较大, 喷出物较多, 能量也更大, 较大颗粒的浮岩可以落到更远的区域, 因此底部层面物质多、 粒度大。

1.4 东方红水泥桥剖面

东方红大桥位于天池火口NE 27km, 东方红林场内。自林场大桥SE废弃的营地至东方红大桥北1km, 沿线8km的区域, 圆池期空降物和赤峰期碎屑流层序较为稳定, 剖面特征较为一致。下部为赤峰期巨厚的火山泥石流, 其中夹杂着赤峰期灰白色大块浮岩, 粒径最大可达十几甚至20cm, 厚1至数m不等。上部为圆池期空降沉积, 土黄色浮岩、 少量黑色浮岩与岩屑混杂, 厚8~18cm不等, 在距离火口更近的林场桥南废弃营地, 圆池期空降层厚度仅有8cm, 成分以黑色浮岩为主, 在距离火口更远的东方红水泥桥北, 圆池期空降层厚度达到了18cm, 成分以土黄色浮岩为主, 顶部为一层厚约2cm的黑色浮岩颗粒层(图5)。

图5 东方红水泥桥剖面野外照片
a 火山碎屑流; b 圆池期空降堆积
Fig. 5 Field photo of Dongfanghong Bridge profile.

图6 天池火山代表性浮岩碎屑粒度分布图Fig. 6 Particle size distribution of representative pumices from Tianchi volcano.

2 碎屑粒度分析

通过粒度分布特征来判断堆积物的分选性和成因类型是火山碎屑研究的一种基础手段。 杨清福等(2007)赵波等(2010)和Zhao等(2013)曾对天池火山区不同成因类型的浮岩碎屑进行过粒度分析, 但是未曾区分圆池期和赤峰期浮岩。利用德国莱驰AS200自动筛分仪, 对采样区域中的44件空降浮岩和火山碎屑流样品进行了筛分, 得到了样品的粒度分布(图6), 计算粒度中值MdΦ 和分选系数σ Φ (Φ =-log2d, d为碎屑粒度), 并进行碎屑成因投图(图7)。潘波(2016)在黑石沟内千年大喷发空降碎屑之下发现了50ka前喷发的空降浮岩, 本研究对此处的样品也进行了分析。对圆池期土黄色浮岩和黑色浮岩颗粒未进行区分。

图 7 浮岩碎屑成因投图(Walker, 1983)Fig. 7 Median diameter(MdΦ )versus sorting(σ Φ )diagram(after Walker, 1983).

空降浮岩粒度分布图均显示正态分布特征, 赤峰期空降浮岩粒度中值MdΦ 为-4.25~-1.3(d为1.69~18mm), 分选系数σ Φ 为0.93~1.53。圆池期空降浮岩粒度中值MdΦ 为-2.55~0.6(d为0.36~6.5mm), 分选系数σ Φ 为1~1.68。在MdΦ σ Φ 关系图中均投点在空降浮岩区域。50ka年前喷发的浅黄色浮岩粒度中值MdΦ 为-2.55~-2.4, 分选系数σ Φ 为1.65~1.68。几个碎屑流样品的σ Φ 值很高(3.25~4.23), 投点落入火山碎屑流区域。

3 岩相学特征

对2期喷发的浮岩进行了详细的岩相学观察。 对于圆池期空降浮岩, 挑选出土黄色浮岩颗粒和黑色浮岩颗粒, 分别磨制了薄片。黑色浮岩颗粒较小, 置于水中并不能像其他浮岩一样浮在水面, 而会直接沉到水底, 有的研究者称之为黑色粗安岩角砾(樊祺诚等, 2005)。但是在光学显微镜下和扫描电镜下可以观测到其明显的气孔结构(图8, 9), 因此本文称之为黑色浮岩。3种浮岩在光学显微镜及扫描电镜下显示出不同的特征。

图 8 天池火山浮岩光学显微镜照片
a 黑色浮岩中的气孔(单偏光); b 灰白色浮岩中的拉长气孔(单偏光); c 黑色浮岩中保存完好的长石聚片双晶(正交); d 黑色浮岩内熔蚀的长石(单偏光); e 灰白色浮岩中自形的长石(正交); f 灰白色浮岩中的破碎长石(单偏光); g 土黄色浮岩中熔蚀的长石(单偏光); h 土黄色浮岩中的辉石和长石(单偏光)。 V气孔; Fld长石; Px辉石
Fig. 8 Microphotographs of pumices from Tianchi volcano.

图 9 扫描电子显微镜下火山浮岩的背散射电子图像
从左到右分别为灰白色(左)、 土黄色(中)、 黑色(右)浮岩在80倍(上)、 200倍(中)、 500倍(下)放大倍数下的图像
Fig. 9 Backscatter electron images of pumices.

表2 天池火山空降浮岩主量元素分析结果(单位: wt%) Table2 Major element composition of pumices from Tianchi volcano

浮岩斑晶以长石和辉石为主, 由于2期浮岩具有较大的气孔度, 斑晶百分含量较低。在显微镜下以线统计法统计2期浮岩中的长石斑晶含量, 得到赤峰期灰白色浮岩中的长石含量为0.24%~1.77%, 圆池期土黄色浮岩中的长石含量为0.2%~7.5%, 圆池期黑色浮岩中的长石含量为3.02%~8%。从气孔形态上看, 灰白色及土黄色样品气孔度高, 气孔普遍存在拉长变形, 反映了强烈的喷发动力学特征。相较而言, 黑色浮岩在光学显微镜下显得非常致密, 不仅气孔度大大低于前者, 而且气孔的拉长变形并不明显, 其喷发动力远远不如前两者。从晶体特征上看, 赤峰期和圆池期的长石斑晶都受到了一定程度的熔蚀破坏, 但是圆池期长石熔蚀得更明显(图8d, g), 而赤峰期斑晶出现较多的破碎现象(图8f)。

从背散射图像上看, 在高放大倍数的2D图像中, 3种浮岩的气孔具有更显著的区别(图9), 灰白色与土黄色浮岩中的气孔大多呈现贯通的形态, 黑色浮岩中的气孔大多独立存在, 灰白色以及土黄色浮岩的气孔度远远大于黑色浮岩。灰白色浮岩的气孔壁很薄, 远远低于气孔孔径, 土黄色浮岩的气孔壁大约是孔径的一半左右, 黑色浮岩的气孔壁大约是孔径的2~3倍。

4 浮岩主量元素成分分析

对采集的样品进行了全岩主量元素分析, 结果见表2。分析单位为河北省区域地质矿产调查研究所实验室, 分析仪器为X荧光光谱仪。

结果显示, 圆池期2种颜色的浮岩成分明显不同, 土黄色浮岩SiO2的含量为62.14~63.29wt%, K2O 的含量为5.35~5.7wt%, Na2O 的含量为5.35~5.62wt%, Al2O3的含量为15.00~15.59wt%, CaO的含量为1.06~1.61wt%, MgO的含量为0.25~0.57wt%, TiO2的含量为0.4~0.64wt%, 为粗面质, 与山顶八卦庙期(潘波, 2016)的成分基本相同; 而黑色浮岩SiO2的含量为59.51~60.59wt%, 远远低于土黄色浮岩, K2O的含量为4.39~4.84wt%, Na2O 的含量为4.94~5.08wt%, CaO的含量为2.78~3.66wt%, Al2O3的含量为15.81~16.42wt%, MgO的含量为1.43~1.90wt%, TiO2的含量为1.04~1.4wt%, 在TAS图解中虽然也投点于粗面岩, 但偏向粗安岩。2种成分明显投点在2个集中区, 中间不连续。赤峰期的灰白色浮岩成分在TAS图中投点为碱流岩(图10), 与前人的数据范围基本一致, SiO2含量高(69.12~72.71wt%), 更偏酸性, K2O 的含量为 4.33~4.52wt%, Na2O的含量为5.26~5.39wt%, Al2O3的含量为10.32~11.99wt%, CaO的含量为 0.29~0.95wt%, MgO的含量为0.11~0.51wt%, TiO2的含量为0.23~0.43wt%, 岩浆的演化程度较高。50ka前的黄色浮岩SiO2的含量为65.56~68.28wt%, 比赤峰期灰白色浮岩略低, 投点为碱流岩。

图10 天池火山空降浮岩TAS图解(据Le Maitre et al., 1989修改)Fig. 10 TAS diagram of pumices from Tianchi volcano(after Le Maitre et al., 1989).

5 讨论
5.1 地层对比

横向对比圆池剖面、 黑石沟剖面、 老房子小山剖面和东方红大桥剖面, 圆池剖面中圆池期空降浮岩降落在赤峰期灰白色空降浮岩之上, 其他剖面降落在赤峰期火山碎屑流之上, 几处的圆池期空降应为同一期喷发。虽然圆池剖面中圆池期空降浮岩和赤峰期灰白色空降浮岩中间存在泥沙层, 但该泥沙层以晶屑、 岩屑和火山灰为主, 应该为火山喷发物二次堆积的产物。所以, 圆池期空降直接覆盖在赤峰期之上, 中间没有沉积间隔, 证明赤峰期跟圆池期空降堆积过程连续, 二者的喷发之间不足以形成沉积间隔, 2期空降浮岩均应划分为千年大喷发的喷发物。

但是几处地层层理并不一致, 老房子小山剖面的互层现象更明显, 层理更多, 更加明确地展示了脉动式喷发的过程。层理的变化应该与喷发强度、 扩散过程中风速、 风向的变化以及距火山口的距离有关。

5.2 千年大喷发的强度变化

从喷发物堆积厚度来看(图2), 同一地点圆池期空降厚度小于赤峰期空降浮岩厚度。从粒度分析看(图7), 赤峰期浮岩粒度更大, 分选更好, 代表更强的爆炸强度。浮岩内部气孔的大小和数量也反映了喷发的强度(于红梅等, 2012), 赤峰期的浮岩气孔更大, 拉长更明显, 气孔数量较多, 气孔壁更薄, 也说明喷发的强度更大。故千年大喷发在赤峰期后强度变弱。

千年大喷发爆发指数(VEI)达到了7, 喷发柱高达35km(刘若新等, 1998b)。1980年美国圣海伦斯火山喷发(VEI=5), 喷发物SiO2的含量为66~80wt%, 喷发柱的高度为25km(Carey et al., 2009); 1991年菲律宾皮纳图博火山喷发(VEI=6), 喷发物SiO2的含量为68~77wt%, 喷发柱的高度达到了40km(Koyaguchi et al., 1996)。可见一般布里尼式喷发多为酸性岩浆。但是中性岩浆也可以产生大规模的爆炸式喷发, 例如意大利维苏威火山于79AD喷发(VEI=5), 喷发物中SiO2的含量为54~61wt%, 喷发柱的高度最高达到了33km。所以, 虽然圆池期喷发的强度有所减弱, 但并不能否认将来再次发生大规模爆炸式喷发的可能。

5.3 岩浆成分的复杂性

成分测试显示圆池期的浮岩较赤峰期更偏基性, 属于粗面岩。潘波(2016)、 Pan等(2017)测试圆池期空降物与天文峰顶部的黑色浮岩成分和斑晶成分一致, 认为其为同一期产物, 并统称为 “ 八卦庙期” 。但本研究显示圆池期空降浮岩成分复杂, 含有2种颜色的浮岩, 其中土黄色浮岩成分与天文峰顶部黑色浮岩成分相近, SiO2的含量为62~66wt%, 而圆池期黑色浮岩成分中SiO2的含量低(59~60.6wt%), 两者的其他氧化物含量也具有明显的区别。另外, 土黄色浮岩的灼失量明显高于黑色浮岩。野外地层显示圆池期喷发为脉动式, 2种颜色的浮岩混杂在一起, 甚至有些颗粒内部有2种颜色的岩浆混合存在, 所以其与天文峰顶部黑色浮岩是否为同一期喷发产物还有待进一步的研究。

史兰斌等(2005)认为流纹质和粗面质浮岩均来自地壳岩浆房, 为岩浆房内不同分异演化阶段的产物, 并认为岩浆房具有分带性, 不同性质的岩浆存在混合作用。2种粗面岩浆成分的存在说明长白山火山下岩浆系统远比潘波(2016)和Pan等(2017)给出的岩浆系统演化模式要复杂得多, 可能粗面岩浆内部也存在成分分层, 而脉动式的喷发喷出了不同层位的岩浆。

6 结论

通过对长白山天池火山千年大喷发以来的2层空降堆积地层和室内浮岩碎屑的详细分析, 得到以下初步结论:

(1)赤峰期灰白色空降浮岩受风力作用广泛分布于天池火山东南侧, 其浮岩为棱角状, 正粒序, 分选较好, 成分较为均一。圆池期喷发为脉动式喷发, 该层浮岩为棱角状, 粒序不明显, 分选较好, 主要为土黄色浮岩和黑色浮岩颗粒互层。

(2)2期浮岩粒度均投点于空降堆积区内, 2层空降喷发中间没有沉积间隔, 时间间隔不长, 2期空降浮岩均应划分为千年大喷发的喷发物。

(3)赤峰期空降浮岩为灰白色碱流质, 气孔较大, 连续贯通, 气孔壁薄, 喷发强度较大。圆池期土黄色空降浮岩为粗面质, 气孔贯通, 气孔壁略厚, 而黑色浮岩颗粒成分虽也为粗面质, 但SiO2含量明显较低, 气孔不连续贯通, 喷发强度较赤峰期弱。

(4)多种岩浆成分说明天池火山下复杂的岩浆系统可能以分层的形式存在, 脉动式的喷发喷出了不同层位的岩浆。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 樊祺诚, 隋建立, 孙谦, . 2005. 天池火山千年大喷发的岩浆混合作用与喷发机制初步探讨[J]. 岩石学报, 21(6): 17031708.
FAN Qi-cheng, SUI Jian-li, SUN Qian, et al. 2005. Preliminary research of magma mixing and explosive mechanism of the Millennium eruption of Tianchi volcano[J]. Acta Petrologica Sinica, 21(6): 17031708(in Chinese). [本文引用:1]
[2] 樊祺诚, 隋建立, 王团华, . 2007. 长白山火山活动历史、 岩浆演化与喷发机制探讨[J]. 高校地质学报, 13(2): 175190.
FAN Qi-cheng, SUI Jian-li, WANG Tuan-hua, et al. 2007. History of volcanic activity, magma evolution and eruptive mechanisms of the Changbai volcanic province[J]. Geological Journal of China Universities, 13(2): 175190(in Chinese). [本文引用:1]
[3] 郭正府, 刘嘉麒, 汉景泰, . 2005. 长白山天池火山气体对环境的影响及潜在火山灾害研究[J]. 中国科学(D辑), 35(8): 781789.
GUO Zheng-fu, LIU Jia-qi, HAN Jing-tai, et al. 2006. Effect of gas emissions from Tianchi volcano(NE China)on environment and its potential volcanic hazards[J]. Science in China(Ser D), 46(3): 304310. [本文引用:1]
[4] 金伯禄, 张希友. 1994. 吉林省长白山全新世火山喷发期及火山活动特征[J]. 吉林地质, 13(2): 112.
JIN Bo-lu, ZHANG Xi-you. 1994. The Changbai Mountain Holocene epoch eruptive stages and its active features[J]. Jilin Geology, 13(2): 112(in Chinese). [本文引用:1]
[5] 靳克, 彭玉鲸, 王彦生, . 2000. 中国-朝鲜长白山区新生代火山事件的划分及对比[J]. 长春科技大学学报, 30(2): 125130.
JIN Ke, PENG Yu-jing, WANG Yan-sheng, et al. 2000. The divide and contrast of volcanic events of Cenozoic Era of Changbaishan area between China and Korea[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology, 30(2): 125130(in Chinese). [本文引用:1]
[6] 李霓, 樊祺诚, 孙谦, . 2004. 长白山天池火山岩浆演化: 来自主矿物成分的证据[J]. 岩石学报, 20(3): 575582.
LI Ni, FAN Qi-cheng, SUN Qian, et al. 2004. Magma evolution of Changbaishan Tianchi volcano: Evidence from the main phenocrystal minerals[J]. Acta Petrologica Sinica, 20(3): 575582(in Chinese). [本文引用:1]
[7] 刘嘉麒, 王松山. 1982. 长白山火山与天池的形成时代[J]. 科学通报, 27(21): 13121315.
LIU Jia-qi, WANG Song-shan. 1982. Age of Changbaishan volcano and Tianchi lake[J]. Chinese Science Bulletin, 27(21): 13121315(in Chinese). [本文引用:1]
[8] 刘若新, 樊祺诚, 郑祥身, . 1998 a. 长白山天池火山的岩浆演化[J]. 中国科学(D辑), 28(3): 226231.
LIU Ruo-xin, FAN Qi-cheng, ZHENG Xiang-shen, et al. 1998 a. The magma evolution of Changbaishan Tianchi volcano[J]. Science in China(Ser D), 28(3): 226231(in Chinese). [本文引用:1]
[9] 刘若新, 魏海泉, 李继泰, . 1998b. 长白山天池火山近代喷发 [M]. 北京: 科学出版社.
LIU Ruo-xin, WEI Hai-quan, LI Ji-tai, et al. 1998b. The Modern Eruption of Changbaishan Tianchi Volcano [M]. Science Press, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
[10] 刘若新, 魏海泉, 汤吉, . 1996. 长白山天池火山研究进展[J]. 地震地磁观测与研究, 17(4): 211.
LIU Ruo-xin, WEI Hai-quan, TANG Ji, et al. 1996. Progress of the study on Tianchi volcano, Changbaishan, China[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 17(4): 211(in Chinese). [本文引用:1]
[11] 刘祥. 2006. 长白山火山历史上最大火山爆发火山碎屑物层序与分布[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 36(3): 313318.
LIU Xiang. 2006. Sequence and distribution of the pyroclastic deposits of the greatest eruption of Changbaishan volcano during the period of history[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 36(3): 313318(in Chinese). [本文引用:1]
[12] 刘祥, 隋维国, 向天元, . 2004. 长白山天池地区全新世以来火山活动及其特征[J]. 第四纪研究, 24(6): 638644.
LIU Xiang, SUI Wei-guo, XIANG Tian-yuan, et al. 2004. Holocene volcanic activities and their features in Tianchi area, Changbaishan Mountains[J]. Quaternary Sciences, 24(6): 638644(in Chinese). [本文引用:1]
[13] 潘波. 2016. 长白山天池火山晚更新世以来喷发序列研究 [D]. 北京: 中国地震局地质研究所.
PAN Bo. 2016. Eruptive history of the Changbaishan Tianchi Volcano, China/DPRK, since the Late Pleistocene [D]. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
[14] 史兰斌, 陈孝德, 杨清福, . 2005. 长白山天池火山千年大喷发不同颜色浮岩的岩石化学特征[J]. 地震地质, 27(1): 7382.
SHI Lan-bin, CHEN Xiao-de, YANG Qing-fu, et al. 2005. Petrochemistry of pumices of various colors produced by the eruption of Changbaishan Tianchi volcano at 1000 years ago[J]. Seismology and Geology, 27(1): 7382(in Chinese). [本文引用:1]
[15] 汤德平, 田丰. 1989. 吉林省白头山火山岩的微量元素及其岩石学意义[J]. 岩石矿物学杂志, 8(1): 3342.
TANG De-ping, TIAN Feng. 1989. The trace elements of volcanic rocks in Baitoushan, Jilin and their bearing on petrogenesis[J]. Acta Petrologica Et Mineralogica, 8(1): 3342(in Chinese). [本文引用:1]
[16] 魏海泉. 2010. 长白山火山岩浆柱岩浆上升作用过程[J]. 地学前缘, 17(1): 1123.
WEI Hai-quan. 2010. Magma upmoving process within the magma prism beneath the Changbaishan volcano[J]. Earth Science Frontiers, 17(1): 1123(in Chinese). [本文引用:1]
[17] 魏海泉, 刘若新, 李晓东. 1997. 长白山天池火山造伊格尼姆岩喷发及气候效应[J]. 地学前缘, 4(1-2): 267270.
WEI Hai-quan, LIU Ruo-xin, LI Xiao-dong. 1997. Ignimbrite-forming eruptions from Tianchi volcano and their climatic effect[J]. Earth Science Frontiers 4(1-2): 267270(in Chinese). [本文引用:1]
[18] 许东满, 郑祥身, 许湘希. 1993. 长白山天池地区全新世以来火山活动及其特征[J]. 第四纪研究, 13(1): 8594.
XU Dong-man, ZHENG Xiang-shen, XU Xiang-xi. 1993. Holocene volcanic activities and their features in Tianchi area, Changbaishan Mountains[J]. Quaternary Sciences, 13(1): 8594(in Chinese). [本文引用:1]
[19] 杨清福, 李继泰, 刘若新, . 1996. 长白山天池火山公元750~960年浮岩流搬运与堆积的物理机制[J]. 地震地磁观测与研究, 17(6): 1119.
YANG Qing-fu, LI Ji-tai, LIU Ruo-xin, et al. 1996. Transport and accumulation physical mechanisms of the Changbaishan pumice flow in AD 750~960[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 17(6): 1119(in Chinese). [本文引用:1]
[20] 杨清福, 史兰斌, 张羽, . 2007. 长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积的粒度特征与地质意义[J]. 地震地质, 29(3): 480491.
YANG Qing-fu, SHI Lan-bin, ZHANG Yu, et al. 2007. Grain-size characteristics of the Millennium pyroclastic flow deposits of Tianchi volcano and their geological implications[J]. Seismology and Geology, 29(3): 480491(in Chinese). [本文引用:1]
[21] 杨清福, 孙国军, 李继泰, . 1998. 长白山天池火山公元1215年大规模喷发空降堆积及喷发动力学参数[J]. 东北地震研究, 14(2): 5358.
YANG Qing-fu, SUN Guo-jun, LI Ji-tai, et al. 1998. Airfall deposit and eruptive dynamics parameters of explosion of Tianchi volcano, Changbaishan, in 1215AD[J]. Seismological Research of Northeast China, 14(2): 5358(in Chinese). [本文引用:1]
[22] 于红梅, 吴建平, 许建东, . 2012. 长白山天池火山全新世浮岩显微结构特征及其火山学意义[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 42(S3): 132144.
YU Hong-mei, WU Jian-ping, XU Jian-dong, et al. 2012. Microstructural characteristics of the Holocene pumice erupted from Changbaishan Tianchi volcano and their volcanological implications[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 42(S3): 132144(in Chinese). [本文引用:2]
[23] 赵波, 许建东, 于红梅. 2010. 长白山地区火山碎屑粒度特征研究[J]. 地震地质, 32(2): 233243. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 201002. 006.
ZHAO Bo, XU Jian-dong, YU Hong-mei. 2010. Grain-size characteristics of pyroclasts in Changbaishan Mountain area[J]. Seismology and Geology, 32(2): 233243(in Chinese). [本文引用:1]
[24] 郑祥身, 许湘希, 许东满. 1998. 长白山天池老虎洞期火山活动地质特征及成因意义[J]. 地质科学, 33(4): 426434.
ZHENG Xiang-shen, XU Xiang-xi, XU Dong-man. 1998. Geology and genetic significance of the Laohudong stage activity of Tianchi volcano, Changbaishan area, China[J]. Scientia Geologica Sinica, 33(4): 426434(in Chinese). [本文引用:1]
[25] Carey R J, Houghton B F, Thordarson T. 2009. Abrupt shifts between wet and dry phases of the 1875 eruption of Askja volcano: Microscopic evidence for macroscopic dynamics[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 184(3-4): 256270. [本文引用:1]
[26] Koyaguchi T, Woods A W. 1996. On the formation of eruption columns following explosive mixing of magma and surface water[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 101(B3): 55615574. [本文引用:1]
[27] Le Maitre R W, Bateman P, Dudek A, et al. 1989. A Classification of Igneous Rocks and Glossary of Terms[M]. Oxford: Blackwell. [本文引用:1]
[28] Machida H, Arai A. 1983. Extensive ash falls in and around the Sea of Japan from large Late Quaternary eruptions[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 18(1): 151164. [本文引用:1]
[29] Pan B, De Silva S L, Xu J D, et al. 2017. The VEI -7 Millennium eruption, Changbaishan-Tianchi volcano, China/DPRK: New field, petrological, and chemical constraints on stratigraphy, volcanology, and magma dynamics[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 343(1): 4559. [本文引用:2]
[30] Walker G P L. 1983. Ignimbrite types and ignimbrite problems[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 17(1): 5588. [本文引用:1]
[31] Xu J D, Pan B, Liu T Z, et al. 2013. Climatic impact of the Millennium eruption of Changbaishan volcano in China: New insights from high-precision radiocarbon wiggle-match dating[J]. Geophysical Research Letters, 40(1): 5459. [本文引用:1]
[32] Yu H, Xu J, Luan P, et al. 2013. Probabilistic assessment of tephra fallout hazard at Changbaishan volcano, Northeast China[J]. Natural Hazards, 69(3): 13691388. [本文引用:1]
[33] Zhao B, Xu J D, Lin C Y. 2013. Study of distal pyroclastic-flow stratum from Tianchi volcano in 1215(±15)eruption: Pyroclastic-flow over water[J]. Acta Geologica Sinica(English Edition), 87(1): 7381. [本文引用:1]