大興安嶺第四紀火山地質與地球化學研究

趙勇偉

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

大興安嶺第四紀火山地質與地球化學研究

趙勇偉

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

前言

中國東部中-新生代以來火山活動頻繁,造就了綿延5000公里、寬達數百公里的陸相火山巖帶,新生代玄武巖主要沿中國東部大陸邊緣一系列北東向、北北東向的裂谷和斷陷盆地分布,東北火山巖區位于其北端,是我國重要的新生代火山分布區。20世紀80年代以來,我國在中國東部火山巖年代學和巖石地球化學研究方面取得豐碩成果,但迄今為止,大興安嶺地區因森林覆蓋,交通不便,其中隱藏的新生代火山(主要是第四紀火山)鮮為人知,調查研究工作進展緩慢。當今火山學科已經成為集火山地質、地球物理、地球化學、災害等學科于一體的綜合性交叉學科。本文以火山學理論為指導,運用地質學、火山物理學和地球化學綜合研究方法,透視東北大興安嶺第四紀以來大陸板內火山活動的基本特征和規律。論文主要研究以下科學問題:①火山活動的時空演化規律;②火山地質特征反映出什么樣的活動特點;③火山巖漿來源及其深部地球化學制約。

1 區域地質背景

大興安嶺第四紀火山區在區域上分為南區和北區兩個組成部分。南區的哈拉哈河-綽爾河火山區位于大興安嶺中段,橫跨內蒙古自治區東部興安盟阿爾山市和呼倫貝爾市交界處。北區的諾敏河-奎勒河火山區地處大興安嶺北段,位于呼倫貝爾市東部鄂倫春自治旗境內。

中生代該地區在大興安嶺隆起的背景下,發育有強烈的巖漿活動,以中酸性的巖漿侵位和噴發為主。在新生代中國東部大陸整體處于拉張構造環境,日本海弧后盆地和中國東部裂谷系拉張的背景下,大興安嶺山體發生強烈隆升,并伴生有頻繁的玄武質巖漿噴發活動。該地區地層主要為侏羅紀、白堊紀火山巖系,其次為新生代地層。侵入巖主要為燕山早期二長花崗巖;火山巖分布廣泛,以中生代酸性火山巖分布最廣,新生代火山巖主要為堿性玄武巖。

2 火山地質

2.1 火山活動歷史

哈拉哈河-綽爾河地區火山總體呈北東向帶狀分布,以熔巖流為主的火山產物呈連續帶狀分布于主要河流的河谷當中。根據野外調查,確認第四紀火山35座,熔巖流分布面積約400 km2。諾敏河-奎勒河火山區火山產物以熔巖流為主,呈片狀分布,根據野外調查確認火山25座,熔巖流分布面積約600 km2。根據火山地質特征、野外地層的新老覆蓋關系和巖石風化程度等地質特征,結合地質測年數據對研究區的火山活動初步劃分為早更新世、中更新世、晚更新世和全新世4期。

早更新世玄武巖主要分布于北區的諾敏河果楞奇附近以及奎勒河宜里,火山產物主要是熔巖流,具有以下特點:熔巖流找不到明顯的火山源頭;熔巖流構成河流的二級階地,表面已經被厚層的河流沖積物覆蓋,多被開墾為農田;熔巖流不但被大的河流分割,也被更多的小型河流深度侵蝕切割為小的塊體;玄武巖風化較嚴重,具球狀風化特點。

中更新世火山產物在北區的諾敏河、奎勒河流域均有大量分布,占據著第四紀以來火山生成物的主體。哈拉哈河-綽爾河火山區內約占總數3/4的火山形成于此時。熔巖流分布面積達近300 km2。諾敏河-奎勒河地區此時形成火山占總數的2/3,相應的熔巖流分布面積達320 km2。火山產物具有以下特點:保存大量火山碎屑錐及部分火山口,火山錐風化程度相對較強,其頂部濺落錐已被不同程度剝蝕,火山口被后期崩塌物質及厚層腐質土所充填;熔巖流被大的河流切割,構成河流一級階地,巖石風化程度較強,多被林地覆蓋。

晚更新世火山產物在哈拉哈河-綽爾河地區主要是基爾果山天池火山、子宮山火山以及臥牛泡子火山、烏蘇浪子湖火山。火山數目較少,熔巖流覆蓋面積只有不到40 km2。相應的火山產物在諾敏河-奎勒河主要分布在畢拉河河谷附近厚層熔巖流的中-低層位,推測分布面積約150 km2。這一時期產物具有以下特點:火山錐風化程度相對較弱,火口較深、內壁較陡,錐體頂部仍保存較完整的濺落錐;熔巖流風化程度較弱,其上只有薄層土壤覆蓋;熔巖流侵占河道,未被河流侵蝕切割;松散、易風化的射汽巖漿火山碎屑保存較完好,也是晚更新世火山活動的重要標志之一。

全新世火山在南區哈拉哈河-綽爾河地區有焰山、高山、十號溝盆地火山、小東溝火山4座火山,熔巖流分布面積共計約100 km2。北區畢拉河上游的馬鞍山、達來濱湖通以及達來畢諾熔巖流屬于全新世火山產物,推測畢拉河下游河谷上部層位熔巖流也屬全新世產物,覆蓋面積約100～150 km2。全新世火山產物一般具有以下特點:火山錐保存最為完好,一般錐體高大陡峻,火口具漏斗狀,內壁陡峭易垮塌;錐體頂部仍保持火山噴發結束時的濺落堆積特征;熔巖流保持了剛冷卻時的形貌和流動構造,表面很少有覆蓋層,樹木難以扎根,只在巖塊隙間有稀疏林木,裸露的石塘是全新世熔巖流的標志性特征;火山產物尤其是大片的熔巖流對現代地形地貌進行了明顯改造,熔巖流侵占阻塞河道,形成眾多火山堰塞湖。

根據火山活動期次可以恢復研究區火山活動歷史如下:早更新世時期諾敏河和奎勒河流域最先開始第四紀火山活動,這一時期火山活動強度不大,熔巖產出量不高,熔巖流分布在少數河谷中。中更新世時,大興安嶺地區火山活動趨強,無論是火山數量還是熔巖產量都占第四紀以來火山產物總量的1/2以上,火山產物既有火山錐又有熔巖流,這一時期的熔巖流分布范圍廣泛,產物遍布大的河流流域,構成了整個火山區的雛形。晚更新世時期火山活動趨弱,火山產物占總量比例最低,火山活動范圍縮小,只局限于小范圍區域。進入全新世,在繼承晚更新世火山活動區域的基礎上,火山活動又進入另一個高峰期,爆破式噴發造就多座較大的火山碎屑錐,熔巖流分布廣泛。

2.2 火山噴發類型

區內火山按照火山作用方式不同,可分為爆破式和溢流式兩種火山噴發方式。爆破式噴發產物按照爆破強度和方式分為低強度巖漿爆發形成的粗粒火山碎屑堆積、高強度巖漿爆發形成的細粒火山碎屑堆積;射汽-巖漿爆發形成的火山碎屑堆積。溢流式噴發形成的火山產物主要是熔巖流,其中包括渣狀熔巖,結殼熔巖,塊狀熔巖等,其中還發育有大量獨特的熔巖構造。溢流式噴發產物主要是熔巖流,研究區內熔巖類型多樣,結殼熔巖和渣狀熔巖分布面積較廣,另外在個別地方還發育塊狀熔巖。熔巖在流動及冷卻過程中形成噴氣錐、熔巖冢、熔巖擠入構造、柱狀節理等地質現象。

爆破式火山噴發有3種噴發類型:斯通博利型噴發、高山-焰山型噴發、射汽巖漿型噴發,產生不同類型的碎屑堆積物。溢流式噴發以夏威夷型噴發為主,產物組成盾形火山和熔巖流。幾種噴發類型都屬巖漿噴發作用范疇,只有射汽-巖漿型噴發除外。

(1)斯通博利型。以低強度巖漿爆發形成的碎屑為主要特征,噴發形成的火山錐一般都是復式碎屑錐,濺落錐疊置于降落錐之上。碎屑集中在火口附近分布,構成火山碎屑錐。其中的降落錐主要由火山渣、火山彈、熔巖餅組成,有時還有薄層熔巖流分布其中。火山碎屑粒度較粗,以1～5 cm為主。碎屑錐頂部的濺落錐由弱爆破下的火山彈、熔巖餅及少量熔巖等在高溫下重新焊結在一起,形成熔結集塊巖和碎屑熔巖。火山錐的整體結構反映出火山由初期低強度的爆破式噴發向后期溢流式噴發過渡的過程。

(2)焰山-高山型。本文提出焰山-高山型這種新的火山噴發型式。這種噴發以高強度巖漿爆發為主要特征,形成細粒火山碎屑,這種碎屑氣孔構造非常發育,粒級較小,一般為2～10 mm的火山礫及2 mm以下的火山灰,與斯通博利型噴發碎屑相比,粒徑小得多。火山碎屑總體上呈松散堆積狀態,組成火山碎屑錐和空降火山碎屑席,這種噴發形成比斯能博利型火山更大的錐體,降落錐表層火山礫呈面狀平行于錐體斜坡面分布,火山周圍分布有面積較廣的與火山錐同期形成的火山碎屑席。根據火山產物推測火山噴發時火口之上形成了持續時間較長的高度較高的噴發柱,火山碎屑隨之上升到高空,最后降落在火山錐及周圍廣大范圍內,形成火山碎屑錐和空降火山碎屑席。

(3)夏威夷型。夏威夷型噴發以熔巖平靜溢流為特征,產物主要是廣泛分布的熔巖流。在火口周圍形成小型的單噴發成因盾形火山錐以及火口塌陷坑。盾形火山錐坡度低緩,一般小于5°,在平面上形狀為圓形或橢圓形,整體上形成盾形,組成物質主要是多期熔巖流。火口塌陷坑的四周是近于直立的陡壁,反映出火山活動后期巖漿通道冷卻,密度增大,體積收縮,由于重力作用,造成火口塌陷。

(4)射汽-巖漿型。特征產物是基浪堆積物,有以下特點:由灰黑色火山碎屑組成,粒徑以0.5～3 cm為主,其中還夾雜有大量的圍巖碎屑;平行層理、大型交錯層理、層理下陷等構造發育,堆積物中有明顯的侵蝕面;分布范圍較廣,距火口可遠至3 km;火口鄰近中生代破火口湖。這些特征說明這種噴發類型是玄武質巖漿遇水后與水相互作用發生的射氣-巖漿爆炸。

2.3 火山成因湖泊

大興安嶺火山區內湖泊眾多,都與火山作用有關,之前無人對其做成因研究。本文系統對比不同形式的湖泊,根據它們與火山作用之間的關系,劃分出4種火山成因的湖泊:火山口湖、熔巖堰塞湖、低平火山口湖、熔巖塌陷湖。

2.4 火山系統

火山噴發過程不僅受控于巖漿因素(巖漿的物理和化學屬性),還受控于非巖漿因素,后者決定著火山的形態與規模。本文從火山形態學入手,分析控制火山噴發的非巖漿因素。

根據火口的多寡研究區內火山碎屑錐分為單火口錐和多火口錐,按照錐體形態分為圓馬蹄形錐、長馬蹄形錐和圓形錐,研究區內以馬蹄形碎屑錐為主。本文提出裂隙形的巖漿通道造成碎屑錐在建造時特定方向的不穩定性,使該方向持續的垮塌,疊加熔巖流溢出破壞,從而形成馬蹄形錐體。圓馬蹄形錐體與長馬蹄形錐體受控于裂隙形巖漿通道,圓形錐的巖漿通道是管狀。多火口錐是由于裂隙巖漿通道在噴發過程中局部受巖漿冷卻,在同一裂隙通道中改變噴發位置而形成。

對比研究區內57座火山錐體的形態描述參數(Wcr-火口直徑、Hco-錐體高度、Wco-錐底直徑)后得出Wco在130～2500 m之間,平均值為940 m,中值為810 m。其中碎屑錐Wcr/Wco在0.13～0.85之間,平均值為0.5,中值為0.49。Hco/Wbco在0.03～0.32之間,平均值為0.12,中值為0.11。熔巖盾錐Wco在300～2500 m之間,平均值為1170 m,中值為1000 m;Hco/Wbco在0.01～0.15之間,平均值為0.05,中值為0.04。火山錐的Wcr-Wbco和Hco-Wbco都分別具有線性對應關系,碎屑錐與熔巖盾在Wcr/Wbco和Hco/Wbco呈現明顯的不同。結果反映出熔巖盾在整體直徑上比碎屑錐大,而在錐體高度/錐底直徑上比碎屑錐小很多。

對火山錐形態的研究顯示研究區火山錐規模較小,形態也相對簡單,結合對火山機構的研究,表明區內火山為單次噴發成因,由一次噴發形成或相隔時間很近的少數幾次噴發即可形成。研究區的火山錐及熔巖流規模都相對較小,表明該地區火山系統的特點是巖漿的輸送率和巖漿的輸送頻率低。輸送率低造成單個火山的規模較小,巖漿輸送頻率低造成巖漿通道在一次火山活動之后很快冷卻固結,下次巖漿活動只能重新開辟新的通道,表現在地表就是火山錐之間都有一定距離,火山噴發沒有沿相同的火山通道及火口,因此,研究區沒有出現大型復合式火山。

3 巖石地球化學特征

研究表明大興安嶺火山區南區與北區火山巖巖石學與地球化學特征呈現出顯著的區別。

哈拉哈河-綽爾河玄武巖為鈉質系列堿性玄武巖,主要類型為堿性橄欖玄武巖。∑REE為109.5～262.6 g/g,(La/Yb)N介于7.9～12.4之間,顯示輕重稀土的分異程度弱,大部分稀土配分曲線相互平行。δEu普遍大于1(0.92～1.07),呈弱的正異常。玄武巖在微量元素原始地幔配分圖中,大多樣品曲線相互平行且平滑,總體上表現出與O IB相似的特征,顯示出Ba、Nb、Ta的正異常,Rb、Th、U顯示弱的負異常。只是大離子親石元素(LIL)如Ba、Rb比OIB稍低,LREE也明顯低于O IB。M gO與Cr、Co、Ni都顯示出相同的線性正相關,與Yb、Zr線性負相關。不相容元素如Rb、Ba、Th、U、La、Sr、Nd、Pb與Nb都呈良好的線性相關關系。南區玄武巖稀土和不相容元素配分曲線與大同玄武巖最為接近。Sr-Nd-Pb同位素投點都投在OIB范圍內,在中國東部新生代玄武巖中投在高143Nd/144Nd,低87Sr/86Sr,高206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb的一端,與大同及陽原新生代堿性玄武巖范圍接近。

諾敏河-奎勒河玄武巖屬于鉀質系列堿性玄武巖,主要類型為堿玄巖和碧玄巖。∑REE為223.6～345.8 g/g,大部分樣品(La/Yb)N介于21.6～41.9之間,散布范圍較寬。δEu為0.84～0.96,呈弱的負異常。玄武巖不相容元素原始地幔配分曲線呈現特征性的Ba、Sr高正異常,Nb、Ta、Sr、Sm、La微弱正異常,Th、U、Zr、Hf微弱負異常。曲線的坡度相對較陡,顯示出強不相容元素與弱不相容元素間較高程度的分異。M gO與Cr、Co、Ni都顯示出相同的線性正相關。MgO與(La/Yb)N值表示出弱的正相關。不相容元素如Rb、Ba、Th、U、La、Sr、Nd、Pb與Nb都呈良好的線性相關關系,REE配分曲線及不相容元素原始地幔配分曲線介于漢諾壩玄武巖與五大連池玄武巖。

兩個地區相比,諾敏河-奎勒河玄武巖以相對高K、Na,富集大離子親石元素(尤其是Ba,Sr)及輕稀土為特征。而哈拉哈河-綽爾河玄武巖相對富HREE,更加接近O IB的特征。

一系列證據表明巖漿期后蝕變和地殼混染對研究區巖漿成分的影響不明顯,結晶分異也僅限于少量的單斜輝石和橄欖石分異。巖石地球化學性質差異表明哈拉哈河-綽爾河火山區與諾敏河-奎勒河火山區巖漿源區明顯不同。

哈拉哈河-綽爾河玄武巖的REE和不相容元素配分曲線、Sr-Nd同位素、Nb/U、La/Nb、Ba/Nb都與O IB相近,證明中國東部與OIB源區性質相近的軟流圈地幔在玄武巖起源中起著重要作用。另一方面,區內玄武巖Ce/Pb明顯小于OIB及源于軟流圈地幔的大同堿性玄武巖,Ba/Nb和La/Nb之間存在弱正相關,Sr同位素與Ce/Pb之間也表現出明顯的線性相關,這些證據表明巖漿源區是軟流圈與另一源區的混合。

諾敏河-奎勒河玄武巖具有低Ce/Pb、高Ba/Nb和La/Nb,遠離O IB,與五大連池、二克山、科洛火山巖高度重合。推測巖漿來源與鉀質交代地幔有關。

綜合以上證據表明,哈拉哈河-綽爾河玄武巖巖漿源區主要是軟流圈,巖漿在軟流圈與巖石圈界面處與巖石圈地幔底部發生相互作用。諾敏河-奎勒河玄武巖巖漿源區與變質活化的底部巖石圈地幔有關。研究區內軟流圈具有以下性質:Ce/Pb＞22.7,Ba/Nb＜7.30,La/Nb＜0.57,87Sr/86Sr＜0.7035;而巖石圈地幔底部Ce/Pb＜13.7,Ba/Nb＞28.3,La/Nb＞1.19。這兩種源區的不同的作用造成南北兩區玄武巖巖石和地球化學性質的差異。

4 火山災害

綜合地質及地化證據表明,研究區內軟流圈及巖石圈是巖漿的主要來源,目前該地區地幔和地殼結構有利于巖漿的生成與噴發,因此未來研究區有可能再次發生火山噴發。通過對研究區火山產物分析,推測未來主要火山災害由火山噴發空降碎屑物、火山碎屑涌流、熔巖流、火山噴發氣體造成。

5 主要結論

大興安嶺第四紀哈拉哈河-綽爾河火山區(南區)和諾敏河-奎勒河火山區(北區)包括約1000 km2火山巖和60座火山,火山活動劃分為早更新世、中更新世、晚更新世和全新世4期。根據火山噴發特征及其噴發產物,提出大興安嶺第四紀火山分屬4種噴發類型:斯通博利型、高山-焰山型、夏威夷型和射汽-巖漿型,高山-焰山型為本文新提出的噴發型式。大興安嶺第四紀火山屬于單次噴發成因火山系統,巖漿通道受構造斷裂控制,巖漿輸送頻率和輸送速率比較低,非巖漿因素控制了火山的分布與形態。根據火山區內湖泊與火山作用之間的關系,劃分出4種火山成因的湖泊:火山口湖、火山堰塞湖、熔巖塌陷湖和低平火山口湖(瑪珥湖)。在綜合資料基礎上,編制了大興安嶺南、北區兩幅火山地質圖。

大興安嶺南區哈拉哈河-綽爾河和北區諾敏河-奎勒河玄武巖分別屬于鈉質玄武巖和鉀質玄武巖,它們都具有接近原始巖漿的高M g#特征,巖漿上升過程中極少演化和受到地殼混染。火山巖的REE、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素地球化學特征表明,大興安嶺南區哈拉哈河-綽爾河巖漿源區具有軟流圈與巖石地幔圈的混合特征,北區諾敏河-奎勒河巖漿起源與鉀質交代地幔有關。

大興安嶺;第四紀火山;活動歷史;火山地質;地球化學

P317.2;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.08.007

(作者電子信箱,趙勇偉:zilongzhao1981@yahoo.com.cn)