錫林浩特-阿巴嘎火山群內的瑪珥式火山

王錫嬌 白志達* 譚 琳 吳之理 王 妍

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083

2)內蒙古國土資源廳，呼和浩特 010011

錫林浩特-阿巴嘎火山群內的瑪珥式火山

王錫嬌1)白志達1)*譚 琳2)吳之理2)王 妍1)

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083

2)內蒙古國土資源廳，呼和浩特 010011

錫林浩特-阿巴嘎火山群位于內蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟，處于大興安嶺-大同新生代火山噴發(fā)帶中段。火山群內發(fā)育300余座不同類型的第四紀玄武質火山，其中瑪珥式火山屬首次發(fā)現(xiàn)，以阿巴嘎旗東南部的浩特烏拉、西北部的車勒烏拉和額斯格烏拉瑪珥式火山最具代表性，其火山規(guī)模較大，錐體直徑一般為3～4km，大者約6.5km。火山結構較完整，具有相似的雙輪山地貌景觀和明顯的階段性噴發(fā)過程，噴發(fā)階段早期為強烈的射汽-巖漿爆發(fā)，晚期均轉變?yōu)槿鯉r漿爆發(fā)，最后為玄武質熔巖流的溢出。這種噴發(fā)序列反映了巖漿與水相互作用以及巖漿上升速度和溢出率變化的過程。火山噴發(fā)形成的基浪堆積物覆蓋在中更新統(tǒng)河谷砂礫石之上，其中近火口濺落堆積物中上新世砂泥巖“包體”的熱釋光年齡為(0.112±0.009 6)Ma，表明瑪珥式火山噴發(fā)時代屬晚更新世早期。

射汽-巖漿爆發(fā) 基浪堆積 瑪珥式火山 錫林浩特-阿巴嘎火山群

0 引言

錫林浩特-阿巴嘎火山群位于內蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟，地處內蒙古高原中部。該火山群面積約9 000km2，分布著300余座大小不一、類型多樣的第四紀玄武質火山。20世紀70年代進行的1/20萬區(qū)域地質調查，確定了火山群的范圍和主要火山的位置①內蒙古自治區(qū)地質調查院，1975，內蒙古1/20萬區(qū)域地質調查報告。，厘定了噴發(fā)時代為晚更新世，巖石單位統(tǒng)稱為阿巴嘎玄武巖。內蒙古地質志(內蒙古自治區(qū)地質礦產局，1991)和1/25萬區(qū)域地質修測②內蒙古自治區(qū)地質調查院，2006，內蒙古1/25萬區(qū)調修測項目報告。，基本沿用了1/20萬區(qū)調的成果，仍統(tǒng)歸為上更新統(tǒng)阿巴嘎玄武巖。除系統(tǒng)的區(qū)域地質調查外，有許多學者對錫林浩特-阿巴嘎火山群進行過較為系統(tǒng)的研究(楊建軍，1988;羅修泉等，1990;張臣等，2004，2006;劉俊杰等，2008;陳生生等，2011)，尤其在巖石學和巖石地球化學方面取得了許多進展，大幅度提高了火山群的研究程度，但對瑪珥式火山的研究尚屬空白。

瑪珥式火山又稱低平火山，以德國西部Eifel地區(qū)“maar”湖為代表，故稱瑪珥式火山(孫謙等，2007)。該類型火山是由熾熱的巖漿在上升過程中與水相互作用而發(fā)生的射汽-巖漿爆炸，產生含有大量水蒸氣和火山灰、火山砂礫等碎屑物的火山基浪，緊貼地面以湍流的形式自火口向外流動，流動過程中隨著能量的衰減，基浪中碎屑物發(fā)生堆積所形成的。堆積物中以發(fā)育大型低角度交錯層理和平行層理為特征，由于這些類似沉積巖的層理構造，以往研究常誤認是沉積巖。射汽-巖漿爆發(fā)是火山爆發(fā)的一種特殊方式。錫林浩特-阿巴嘎火山群內射汽-巖漿爆發(fā)堆積物的發(fā)現(xiàn)，對研究火山群的火山作用方式、火山噴發(fā)過程以及火山盆地的演化歷史和第四紀環(huán)境演化具有重要的意義，也是一類重要的火山地質遺跡資源。

1 瑪珥式火山時空分布

錫林浩特-阿巴嘎火山群處于內蒙古華力西褶皺帶中段。出露的地層主要為下古生界溫都爾廟群石英巖、片巖，上泥盆統(tǒng)和中下二疊統(tǒng)火山-沉積巖建造，上新統(tǒng)寶格達烏拉組紅色砂泥巖。其中，第四紀地層廣泛分布，主要為玄武巖和湖沼沉積、風積物。侵入巖主要為華力西期花崗巖類。火山群構造上處于新生代大同-大興安嶺火山活動帶中段。火山活動具有多期次、多旋回的特征。噴發(fā)時代由老至新可分為上新世、中更新世、晚更新世早期、晚更新世晚期和全新世5期①白志達等，2008，內蒙古自治區(qū)錫林浩特第四紀火山群火山地質研究。。不同時代的火山在地貌上有明顯的差異，時代越新的火山地貌保存得越好，錐體風化降解程度就越小。瑪珥式火山地貌形態(tài)保存尚好，錐體風化降解程度相似，均遭受較輕的剝蝕，反映其噴發(fā)時代相對較新。基浪堆積物主體覆蓋在上新世紫紅色湖相砂泥巖之上，在車勒烏拉東南側覆蓋在中更新統(tǒng)灰白色河谷砂礫石之上，其上又被晚更新世晚期的玄武巖覆蓋。在車勒烏拉基浪堆積物和晚期近火口濺落堆積物中含有較多上新世砂泥巖“包體”(圖1)，有些還成為火山彈的核心(圖2)。砂泥巖“包體”受烘烤變質較強，其熱釋光年齡為(0.112±0.009 6)Ma(中國地震局地殼應力研究所測試)。火山地貌特征、地層與火山堆積物的疊置特征及熱釋光年齡表明，瑪珥式火山噴發(fā)時代屬晚更新世早期。

圖1 基浪堆積物中的粉砂巖Fig.1 Siltstone in the base-surge deposits.

圖2 火山彈中的粉砂巖Fig.2 Siltstone in the volcanic bomb.

瑪珥式火山主要分布在阿巴嘎地區(qū)(圖3)，初步確定形態(tài)完整的有6座，阿巴嘎旗別力古臺鎮(zhèn)東南部3座，以浩特烏拉最具特征，西北部3座，以車勒烏拉和額斯格烏拉火山為代表。其分布相對零散，但車勒烏拉和額斯格烏拉總體呈近SN向鑲嵌狀展布。單個火山平面上多呈近等軸狀，結構較完整，地貌特征清晰，局部被晚更新世玄武巖覆蓋。錫林浩特地區(qū)在灰騰梁以北存在瑪珥式火山，由于受晚更新世晚期火山噴發(fā)的破壞以及玄武巖的覆蓋，形態(tài)多不完整，大部分地段僅見到射汽-巖漿爆發(fā)的零星基浪堆積物。

2 火山地質特征

圖3 阿巴嘎瑪珥火山分布示意圖Fig.3 Distribution map of maars in Abaga area.

錫林浩特-阿巴嘎火山群內的瑪珥式火山多為復合火山作用的產物，早期表現(xiàn)為射汽-巖漿爆發(fā)(Crowe et al.，1973)，晚期轉變?yōu)閹r漿爆發(fā)和溢流。在地貌上形成典型的雙輪山，外輪山為基浪堆積物組成的低平火山錐，內輪山由降落與濺落堆積的火山碎屑物構成，平面上呈近圓形雙環(huán)狀。外輪山瑪珥式火山錐體直徑一般為3～4km，大者約6.5km，規(guī)模之大國內罕見。火口直徑多為2～4km，火口深一般20～50m。現(xiàn)在火口內基本無水，部分火口在雨季可見零星小湖沼，據(jù)火口內沉積物推斷瑪珥火口曾經積水成湖。內輪山為降落、濺落火山錐，直徑為800～1 100m，錐體高度60～80m，火口直徑300～500m，深度30～60m。總體上表現(xiàn)為在瑪珥火口內鑲嵌著巖漿爆發(fā)堆積的降落-濺落錐，而且常發(fā)育多個噴火口。基浪堆積的火山碎屑物由玄武質火山渣和基底圍巖碎屑組成，碎屑物有一定磨圓，多為近等軸狀，呈松散或半固結狀產出。碎屑物粒徑一般為3～6cm，大者約20cm，橫向上隨與火口距離的增加總體粒度變小。堆積物中發(fā)育大型低角度交錯層理、平行層理和層理下陷等構造特征。錐體外圍中遠端多見典型的增生火山礫(圖4)。增生火山礫呈圓球狀，大小均勻，粒徑一般為4～6mm，含量40%～60%。降落、濺落堆積物為玄武質火山渣和熔結集塊巖，晚期的堿性橄欖玄武巖覆蓋于基浪堆積物之上，部分熔巖流注入瑪珥火口內，形成火口熔巖湖。

錫林浩特-阿巴嘎火山群內的瑪珥式火山具有相似的地貌與結構特征，其中浩特烏拉火山最具代表性。浩特烏拉瑪珥式火山位于阿巴嘎旗別力古臺鎮(zhèn)東南約20km處。火山形貌保存尚好，結構完整，地貌上表現(xiàn)為清晰的雙輪山景觀(圖5)。火山由基浪堆積、降落、濺落堆積火山碎屑物和玄武質熔巖流組成(圖6)。平面形態(tài)近圓形，錐體直徑約4.5km。外輪山為瑪珥式火山錐(圖6，7)，由射汽-巖漿爆發(fā)的基浪堆積物構成，比高約60m，東南隅最高，西北緣由于被晚更新世巴德烏拉火山的熔巖流覆蓋，相對低緩。瑪珥火口長軸直徑約2km，短軸直徑約1.8km，深約35m。錐體外坡角為15°～25°，火口內壁坡角10°～15°。基浪堆積火山碎屑物為灰白色-褐黃色，多呈次棱角狀，部分呈棱角狀和次圓狀，成巖性較差，多為松散-半固結狀。粒度變化大，凝灰級至礫級均有發(fā)育，但以砂、礫級為主。橫向上自錐沿向外粒度逐漸減小，縱向上呈薄韻律性反復變化。成分主要為火山渣、火山礫和基底花崗質及泥砂質圍巖碎屑，含量變化很大，部分薄層幾乎全由凝灰級圍巖碎屑組成，成巖相對較好，是射汽爆發(fā)的產物，個別層幾乎全由巖漿爆發(fā)的玄武質火山渣組成。這種爆發(fā)方式的快速反復變化，反映了巖漿與水相互作用的過程。射汽爆發(fā)巖漿尚未直接與水接觸，是巖漿的傳導熱使水體汽化的結果，因此爆炸的深度較淺。

圖4 增生火山礫Fig.4 Accretionary lapilli.

圖5 浩特烏拉火山航片圖Fig.5 Aerial photo of Haotewula volcano.

圖6 浩特烏拉火山錐體結構地質圖Fig.6 Geological map of structure of Haotewula cone.

圖7 浩特烏拉火山剖面圖Fig.7 Cross section of Haotewula volcano.

射汽-巖漿爆發(fā)是巖漿與水接觸后相互作用的結果。巖漿爆發(fā)時水基本未參與爆炸過程，其主要受控于巖漿中的揮發(fā)份及巖漿上升速度等因素，且爆炸深度較大。基浪堆積物中層理構造異常發(fā)育，主要有正、逆遞變層理、大型低角度交錯層理和面狀平行層理(圖8 a，b)，在錐體外坡，常見丘狀層理及層理下陷等構造(圖8 c，d)。堆積物厚度變化很大，在錐沿上最厚，錐體外迅速減薄。基浪堆積物頂部還發(fā)育厚約1.2m的褐紅、灰黑色降落火山渣，其中含較多橄欖石晶屑，反映了噴發(fā)后期已轉為巖漿爆發(fā)。內輪山由晚期巖漿噴發(fā)堆積的2個降落-濺落錐構成，南側錐體相對形成較早，錐體不完整;北側錐體相對較晚，形態(tài)較完整，規(guī)模稍大，疊覆在南側錐北緣之上(圖6，7)。兩期錐體的疊覆關系表明其間存在一個相對較長的噴發(fā)間歇，早期錐體形成之后，火山通道上部已凝固形成熔巖栓，晚期活動沿早期火口北側的環(huán)狀斷裂噴發(fā)(Nobuo et al.，2008)。錐體堆積序列下部為少量降落火山渣，上部主要為濺落堆積的熔結集塊巖，熔結集塊巖由塑性變形的熔巖碎塊、熔巖餅和火山彈組成，呈褐色、灰黑色，熔結結構，含二輝橄欖巖包體。濺落堆積后溢出少量堿性玄武巖，主要充填在瑪珥火口內，少量在NE和W側沖破或漫過瑪珥火口沿形成短小的熔巖流(圖6)。堿性玄武巖呈暗綠色，含較多的橄欖石捕擄晶和二輝橄欖巖包體，巖石中氣孔含量少或呈塊狀構造，表明火山噴發(fā)晚期巖漿中揮發(fā)份已很少。內、外輪山之間為寬500～600m的凹槽(圖5)，屬瑪珥火口，充填了玄武巖和少量湖相沉積物。內輪山的幾何中心為晚期巖漿爆發(fā)的火口。

圖8 基浪堆積物中發(fā)育的層理構造Fig.8 Bedding structure developed in base-surge deposits.

阿巴嘎西北部的額斯格烏拉和車勒烏拉瑪珥式火山，呈南北相鄰排列，地貌景觀和結構特征與浩特烏拉火山相似，但規(guī)模更大。如額斯格烏拉火山，位于阿巴嘎別力古臺鎮(zhèn)西北約50km，地理坐標44°13'10″N，114°20'13″E。平面形態(tài)近等軸狀，直徑近 7km(圖9)，是該區(qū)規(guī)模最大的瑪珥式火山。錐體相對低緩，比高約60m。地貌上呈不對稱雙環(huán)構造，總體構成瑪珥火口內有套疊濺落錐的復合火山結構。外環(huán)山為瑪珥式火口沿，由基浪堆積火山碎屑物構成，發(fā)育平行層理和大型低角度交錯層理，縱向上顯示頻繁的韻律層堆積，記錄了射汽-巖漿高頻率爆發(fā)的過程(Gerardo et al.，2007)。內環(huán)小，并偏向東側，主要由濺落堆積物組成，構成套疊于瑪珥火口內的濺落錐。錐體由4個噴火口濺落的火山碎屑物復合而成，巖性為熔結集塊巖。中心2個噴火口清晰，南側火口深度約65m，火口內雨季有積水。內外環(huán)之間寬闊平緩的凹陷槽為瑪珥火口，火口內有熔巖充填，其上被湖沼積淤泥覆蓋。火口曾一度積水成湖，后期由于蒸發(fā)干枯，在豐水期仍有2個積水洼地。

圖9 額斯格烏拉火山地質平面圖Fig.9 Planar geological map of Esigewula volcano.

額斯格烏拉火山是由強烈的射汽-巖漿爆發(fā)形成火山碎屑基浪，基浪運移堆積后構成瑪珥火山錐;隨著火山通道完全打開，火山噴發(fā)轉為巖漿溢流，部分熔巖滯留在瑪珥火口內，形成火口熔巖湖。溢流作用后，噴發(fā)曾一度停息，之后火山活動表現(xiàn)為微弱的間歇性濺落噴發(fā)，小噴火口之上侵出穹丘的出現(xiàn)，標志著火山噴發(fā)的結束。

3 噴發(fā)機制與噴發(fā)過程

錫林浩特-阿巴嘎火山群中瑪珥式火山具有相似的活動方式和噴發(fā)過程，總體可分為早晚2期，早期以射汽-巖漿爆發(fā)為主，形成典型的瑪珥火山。晚期轉為巖漿爆發(fā)與溢流，形成套疊于瑪珥火口內的降落-濺落錐。射汽-巖漿爆發(fā)是巖漿與水相互作用的結果，其控制因素主要是水的質量(或含水沉積物)與巖漿溢出率(Daniel et al.，1995)。在通常情況下水(或含水沉積物)與上涌巖漿質量比RS是最重要的控制因素，當二者的質量比0.1＜RS＜1.0時，就會發(fā)生射汽-巖漿爆發(fā)(Wohletz，2002;孫謙等，2003，2005)。當熾熱的巖漿上升至近地表與地下水(或含水沉積物)相遇時，一方面水使巖漿冷卻淬火，另一方面巖漿又要把水加熱汽化，形成大量蒸汽，使內壓增大，結果導致射汽-巖漿爆發(fā)(孫謙等，2003)。爆發(fā)后產生含大量火山碎屑物和氣體的基浪，自火口向外快速流動。隨著流動速度的衰減，基浪中火山碎屑物堆積，構成低平火山。錫林浩特-阿巴嘎火山群處于內蒙古華力西褶皺帶。基底巖性主要為溫都爾廟群石英巖、片巖和華力西期侵入巖，局部為二疊紀火山-沉積巖建造，這些巖石含水性差。新生代蓋層主要為厚約30m的上新統(tǒng)寶格達烏拉組紅色砂泥巖，在寶格達烏拉組砂泥巖和基底巖石之間淺層地下水較豐富。另外，錫林浩特-阿巴嘎火山群自上新世到早更新世一直為湖盆環(huán)境，現(xiàn)在孤立分布的一系列小湖盆是大湖萎縮分裂殘留的產物。瑪珥火山分布區(qū)晚更新世早期的殘留湖盆是淺層地下水的重要來源，這為射汽-巖漿爆發(fā)提供了必要的條件。當熾熱巖漿上升與基底和蓋層之間的淺層地下水相遇時，巖漿與水相互作用，發(fā)生劇烈爆炸，形成緊貼地面的大規(guī)模基浪。由于爆炸的深度很淺(這從基浪堆積物中含有較多寶格達烏拉組紅色砂泥巖碎屑和基底圍巖成分得以佐證)，又有足夠的水供給，因此爆發(fā)強度大，持續(xù)時間長，異常發(fā)育的平行層理又反映了基浪的流速很快，周圍地形平緩，有利于基浪的快速擴展，故形成規(guī)模巨大的瑪珥式火山。

火山噴發(fā)晚期階段隨著水的逐漸耗盡和巖漿溢出率的提高，抑制了巖漿與水相互作用的進行，導致射汽-巖漿爆發(fā)作用結束，火山噴發(fā)方式逐漸轉變?yōu)槎嗥诖蔚乃雇ú├交蛳耐氖絿姲l(fā)，在瑪珥火口中心形成多個降落-濺落錐。如浩特烏拉瑪珥火口中發(fā)育2個套疊狀降落-濺落錐，在南部降落-濺落錐形成之后出現(xiàn)過短暫的停息，火山通道上部已固結栓塞，之后活動在南火口北側形成新的噴火口，噴發(fā)堆積構成北側降落-濺落錐。不同降落-濺落錐的疊覆特征表明，浩特烏拉火山晚期階段巖漿爆發(fā)過程中存在韻律性間歇。濺落堆積后，因火山通道打開，壓力減小，巖漿中揮發(fā)份趨少，不足以使巖漿碎屑化，火山活動轉變?yōu)槿蹪{溢出，但巖漿的溢出率均很低，溢出的熔巖很少，一部分注入瑪珥火山口內，形成火口熔巖湖，少量漫出瑪珥火口，形成短小的熔巖流。末期噴火口侵出穹丘的出現(xiàn)，最終堵塞了火山通道，標志著火山活動的結束。火山活動從射汽-巖漿爆發(fā)、巖漿爆發(fā)到熔巖的溢出、侵出，火山噴發(fā)強度逐漸減小，反映了巖漿與水相互作用的過程，因此水含量和巖漿溢出率是控制火山噴發(fā)方式的主要因素。

4 結論

(1)錫林浩特-阿巴嘎火山群內瑪珥式火山發(fā)育，保存相對完好的6座主要分布在阿巴嘎地區(qū)，而錫林浩特地區(qū)僅零星分布。瑪珥式火山類型的確定，對研究錫林浩特-阿巴嘎火山群火山爆發(fā)機制及火山活動演化歷史有重要意義。

(2)該區(qū)瑪珥式火山結構特征相似。地貌上多表現(xiàn)為特征的雙輪山，不同地貌單元由不同噴發(fā)階段和不同噴發(fā)方式的堆積物組成，外輪山是早期階段射汽-巖漿爆發(fā)堆積形成的瑪珥式火山錐，內輪山為晚期巖漿爆發(fā)堆積產生的降落-濺落錐。

(3)該區(qū)瑪珥式火山規(guī)模大，爆炸的深度淺，具有相似的噴發(fā)過程。早期為強烈的射汽-巖漿爆發(fā)，晚期轉變?yōu)槿醯膸r漿爆發(fā)和熔巖流的溢出，水含量與巖漿溢出率是控制噴發(fā)方式的主要因素。火山噴發(fā)時代為晚更新世早期。

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MAARS IN XILINHOT-ABAGA VOLCANIC CLUSTER

WANG Xi-jiao1)BAI Zhi-da1)TAN Lin2)WU Zhi-li2)WANG Yan1)

1)School of the Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China
2)Department of Land and Resources of Inner Mongolia Autonomous Region，Huhhot010011，China

Xilinhot-Abaga volcanic cluster is located in Xilin Gol League of Inner Mongolia Autonomous Region，and it is in the centre of Daxinganling-Datong volcanic eruption belt.There are more than 300 Quaternary basaltic volcanoes of different types.Maars are found for the first time there，with Haotewula in the southeast of Abagaqi，Chelewula and Esigewula in the northwest of Abagaqi being the most representative.They all have large scale，and the diameter of cone is generally 3 ～4km，the largest is up to 6.5km.They have relatively intact structure，similar two-ringed mountain landscape and obvious phreasic eruption which contains strong phreatomagmatic eruption at the earlier stage，later weak magmatic eruption and at last basaltic lava overflowing phase.This eruption sequence reflects the interaction between magma and groundwater，the change in intrusive speed and the flow-out rate of magma.The sand and gravel of Middle Pleistocene depositing in the valley are covered by basal surge deposits.The TL age of sandstone-shale inclusion which was found in the spattering deposits close to crater is(0.112±0.0096)Ma，which indicates that the eruption times of the maars are early Late Pleistocene.

phreatomagmatic eruption ，base-surge deposits，maar，Xilinhot-Abaga volcanic cluster

P317.3

A

0253-4967(2012)03-0440-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.03.005

2011-04-23收稿，2012-06-30改回。

中國地震局公益性科研專項(200782713)和內蒙古國土資源廳地質遺跡保護專項(20101030)共同資助。

*通訊作者:白志達，教授，E-mail:baizd@cugb.edu.cn

王錫嬌，女，1986生，中國地質大學(北京)礦物學、巖石學、礦床學專業(yè)，在讀碩士研究生，主要從事巖石學和火山學研究，電話:010-82332047，E-mail:wangxijiaodeai@163.com。