內(nèi)蒙古東部晚第四紀瑪珥式火山的堆積序列及噴發(fā)過程研究

張進奎，李 霓，白志達，趙勇偉，張方華

(1. 中國地震局 地質(zhì)研究所， 活動構造與火山重點實驗室， 北京 100029； 2. 中國地質(zhì)大學 地球科學與資源學院， 北京 100083； 3. 北京大學 地球與空間科學學院， 北京 100871)

瑪珥式火山是一種成因特殊但較為常見的火山類型，是由射汽或射汽-巖漿爆發(fā)產(chǎn)生的一系列基浪堆積物構成且具有明顯的低平火山口和低矮錐體的火山機構，因而區(qū)別于一般巖漿噴發(fā)而形成的火山。當火山活動時，淺地表砂礫巖等相對封閉環(huán)境含水層中的地下水不斷受沿構造薄弱帶上侵的熾熱巖漿的加熱而汽化，從而形成一個或多個高壓體系，一旦壓力值超過上覆圍巖的臨界壓力值時就會立即發(fā)生爆炸，產(chǎn)生含有大量圍巖碎屑、火山砂礫、火山灰、泥沙質(zhì)和水蒸汽等物質(zhì)的火山基浪涌流，以湍流的形式緊貼近地表自火山口向外快速流動，經(jīng)過沉積、破裂、坍塌等過程后形成一系列大小不等且形態(tài)各異的低平火山口(maar)和具有各種結構構造的基浪堆積物(base surges)(Moore, 1967; Lorenz, 1973, 1975, 1986; 孫謙等, 2003, 2005b)。在瑪珥式火山形成之后，大量地表水充填于低平火山口之中形成一系列呈串珠狀分布且規(guī)模不同的湖泊，即稱為瑪珥湖。由于瑪珥湖的廣泛分布以及其獨特的地質(zhì)環(huán)境和水文特征，使其能夠保存長期連續(xù)穩(wěn)定的沉積記錄，從而成為全球古氣候和古環(huán)境變化的研究對象，可進一步為預測未來全球變化提供理論基礎(郭正府等, 2002; 儲國強等, 2018)。

就全球而言，瑪珥式火山分布廣泛，遍布各個國家，其中德國、美國、菲律賓、意大利、英國、法國、西班牙、冰島、以色列、加拿大等地分布最多(Lorenz, 1974, 1986, 2003; Dellino and Volpe, 2000; Kosiketal., 2016; Yoonetal., 2017)，縱跨寒帶、溫帶、亞熱帶和熱帶的中國也具有相當數(shù)量的瑪珥式火山。在中國，瑪珥式火山分布最多且最著名的火山群為雷瓊火山群和龍崗火山群(劉嘉麒等, 2000; 王福生等, 2004; 儲國強等, 2018)。在雷瓊火山群中，廣東省雷州半島的湖光巖、鷹峰嶺、硇洲島那洞灣等以及海南省的羅經(jīng)盤、雷虎嶺-永茂嶺、兵馬角、老劉村等地均存在瑪珥式火山及相應的基浪堆積物(郭正府等, 2002; 孫謙等, 2003; 魏海泉等, 2003; 孫謙等, 2005a, 2005b)。在吉林龍崗火山群中相繼發(fā)現(xiàn)大龍灣、二龍灣、三角龍灣、四海龍灣、龍泉龍灣和大翁圈等瑪珥式火山(魏海泉等, 1999; 樊祺誠等, 2001, 2002; 徐德兵等, 2005; 白志達等, 2006)。廣西北部灣潿洲島和斜陽島也是典型的瑪珥式火山(孫謙等, 2006)。有的瑪珥式火山被后期火山活動所破壞，局部可見射汽-巖漿成因的基浪堆積物；有的瑪珥式火山保存完好，形成積水或干枯的瑪珥式火山湖。2004年，世界上最典型的德國艾菲爾(Eifel)瑪珥湖還與廣東省湖光巖瑪珥湖正式結為“姐妹湖”。

由于有些地區(qū)植被覆蓋嚴重，火山地質(zhì)工作程度較低，隱藏于內(nèi)蒙古東部草原、森林中的火山群并不知名。20世紀末期以來，內(nèi)蒙古東部一系列火山群不斷被發(fā)現(xiàn)，有一些已經(jīng)建設為火山地質(zhì)公園。然而，各火山群中研究程度較高的火山類型仍然是斯通博利式火山、亞布里尼式火山和夏威夷式火山，對瑪珥式火山的研究程度仍然較低。隨著對各個火山群地質(zhì)特征的深入了解，瑪珥式火山的成因機制與演化過程成為人們關注的科學問題。本文從野外火山地質(zhì)特征著手，以火山學與火山地質(zhì)學理論為指導，結合國內(nèi)外瑪珥式火山的研究成果，對內(nèi)蒙古東部晚第四紀瑪珥式火山的分布、產(chǎn)物和結構構造等火山地質(zhì)特征進行歸納總結，劃分火山的噴發(fā)期次，確定火山活動時代，分析其成因機制和噴發(fā)演化過程。

1 瑪珥式火山地質(zhì)特征

內(nèi)蒙古東部晚第四紀火山總體呈北東向分布，粗略統(tǒng)計有400多座，主要分布于諾敏河、阿爾山-柴河、阿巴嘎、達里諾爾和烏蘭哈達火山群(圖1)(白志達等, 2012; 樊祺誠等, 2012, 2015)，火山類型主要為斯通博利式，其次為亞布里尼式、夏威夷式和瑪珥式。其中，有10余座火山屬于典型的瑪珥式火山，具有特殊的基浪堆積物和結構構造特征(表1)，如諾敏河的西熱克特奇呼通，阿爾山-柴河的臥牛泡子、烏蘇浪子湖和布特哈，阿巴嘎的浩特烏拉、車勒烏拉和額斯格烏拉等(趙勇偉, 2007; 涂志民, 2010; 王妍, 2011; 王錫嬌等, 2012)。內(nèi)蒙古東部大多數(shù)瑪珥式火山都是由不同活動時代和噴發(fā)期次的基浪堆積物、降落-濺落堆積物和熔巖流構成的復合火山(白志達等, 2012)。

晚更新世早中期以射汽-巖漿爆發(fā)為主、由基浪涌流堆積而成的基浪堆積物既具備火山噴發(fā)物相應的結構構造特征，又具備沉積巖中常見的構造特征，如平行層理、大型低角度交錯層理和層理下陷等(Lorenz, 1973, 1975, 2003; Kokelaar, 1986; 孫謙等, 2003)。然而在以往的地質(zhì)研究過程中，大多數(shù)地質(zhì)工作者總是將其誤認為沉積巖。由于逐漸減弱的水動力條件和重力分選作用，基浪涌流堆積的玄武質(zhì)火山渣具有良好的分選性和一定的磨圓程度(孫謙等, 2005a)。橫向上，自火山口中心向外玄武質(zhì)火山渣的粒度逐漸減小，磨圓程度也越來越好。同時，在近火山口的基浪堆積物中常常發(fā)育向火山口中心傾斜且產(chǎn)狀較陡的爬升層理，火山口垣的基浪堆積物中則多發(fā)育平行層理，向外逐漸形成大型低角度交錯層理。此外，在火山遠源相的基浪堆積物中通常可見能代表射汽-巖漿爆發(fā)的球粒狀增生火山礫(孫謙等, 2003, 2006)。增生火山礫是射汽-巖漿爆炸產(chǎn)生的細小碎屑等物體在涌浪推動下向遠離火山口方向運動期間，物體表面粘結了細粒火山灰和塵土等，并在滾動過程中形成的圓形圈層(Lorenz, 1986; 孫謙等, 2005b)。一般情況下，離火山口越遠，滾動距離越長，增生火山礫的粒度越大。因此，增生火山礫的圈層構造極為發(fā)育，是由大小不等的同心圓球組成，與鮞礫灰?guī)r中的鮞礫類似。增生火山礫主要由兩部分組成，一部分是由圍巖碎屑、玄武質(zhì)火山碎屑、生物碎屑和氣泡構成的內(nèi)核，另一部分則是由火山灰、粉砂質(zhì)、泥質(zhì)和膠體等沉積物組成的同心圈層外殼。

圖 1 中國東北和內(nèi)蒙古東部地區(qū)第四紀火山群分布示意圖(據(jù)白志達等, 2012修改)Fig .1 Sketch map of Quaternary volcanic cluster in Northeast China and eastern Inner Mongolia (modified after Bai Zhida et al., 2012)1—存在瑪珥式火山的火山群； 2—推測存在瑪珥式火山的火山群； 3—主要區(qū)域斷裂(據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局， 2004)； 4—地殼40 km等厚線； 5—國界； 6—海洋、河流和湖泊； 7—中國首都； 8—省會城市； 9—市級城市1—volcanic cluster containing Maars; 2—volcanic cluster probably containing Maars; 3—principal regional structures (after CGS, 2004); 4—isopach of 40 km of the crust; 5—national boundaries; 6—oceans, rivers and lakes; 7—capital of China; 8—provincial capital; 9—municipal city

火山群名稱火山名稱地理坐標推測時代形狀諾敏河火山群西熱克特奇呼通火山122°59'11″E,49°21'7″N晚更新世早期橢圓形阿爾山-柴河火山群臥牛泡子火山121°17'27″E,47°34'31″N晚更新世早期圓形阿巴嘎火山群浩特烏拉火山車勒烏拉火山額斯格烏拉火山115°08'18″E,43°50'30″N114°14'23″E,44°15'18″N晚更新世中期圓形晚更新世中期圓形晚更新世早期橢圓形火山群名稱錐體大小/km火山口直徑/km火山口深度/m坡度/(°)標高/m雙環(huán)結構諾敏河火山群2.5×1.91.2107～950較明顯阿爾山-柴河火山群4.2×4.21.955835較明顯阿巴嘎火山群3×31.5508～1340非常明顯6.8×6.82.540755不明顯7.8×6.34156～845不明顯

晚更新世中晚期，由于巖漿的增多和地下水的減少，火山活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐詭r漿爆發(fā)和溢流為主，先后形成少量覆蓋于基浪堆積物之上的灰黑色降落玄武質(zhì)火山碎屑和覆蓋于基浪堆積物和降落堆積物之上的磚紅色濺落強熔結集塊巖以及大量自火山口溢出的玄武巖(白志達等, 2012; 王錫嬌等, 2012)。

1.1 諾敏河火山群

西熱克特奇呼通火山是諾敏河火山群中最典型的瑪珥式火山，位于諾敏河臥斯門東緣，地理坐標為E122°59′11″，N49°21′07″，距諾敏河鎮(zhèn)北西約55 km。該火山最高海拔為890 m，主要由早期瑪珥式火山錐、中期降落-濺落的中心疊置錐和向南流的晚期玄武質(zhì)熔巖流組成(圖2)。整個復合火山錐體東、西側(cè)高度分別為120 m和170 m。瑪珥式火山錐體呈橢圓形，高度約50 m，東西向長軸直徑約2.5 km，南北向短軸約1.9 km。低平火山口呈圓形，直徑約1.2 km，深度約10 m。中心疊置錐呈橢圓形，南北長軸直徑約2.1 km，東西向短軸約1.5 km，火山口深度約35 m。由于后期熔巖流等地質(zhì)作用的改造，西熱克特奇呼通瑪珥式火山的雙環(huán)結構輪廓并不太清晰(涂志民, 2010)。低平火山錐的射汽-巖漿成因的基浪堆積物屬于晚更新世早期火山活動的產(chǎn)物，主要分布于火山口四周和沿北東向呈線性展布。基浪堆積物中發(fā)育有大量的低角度交錯層理、平行層理和下陷構造。在遠離火山口的北東側(cè)基浪堆積物細粒凝灰?guī)r巖層中可見球粒狀增生火山礫，平均粒徑為0.5 cm，最大粒徑為1.2 cm，最小粒徑為0.1 cm。構成中心疊置錐的降落-濺落堆積物屬于晚更新世中期火山噴發(fā)的產(chǎn)物，主要是一套以噴泉式噴發(fā)為主且覆蓋于基浪堆積物之上的濺落堆積磚紅色玄武質(zhì)強熔結集塊巖。渣狀熔結集塊巖中含有大量紅色、灰黑色火山彈和熔巖餅。局部可見夾于基浪堆積物和熔結集塊巖之間的黑色降落玄武質(zhì)火山渣，厚度為2～5 cm。晚更新世中晚期的火山產(chǎn)物主要是一套向南流動的熔巖流。熔巖類型主要為結殼熔巖、塊狀熔巖，局部可見渣狀熔巖，巖性為灰黑色堿性橄欖玄武巖和碧玄巖。火山巖的K2O含量為2%～4%，且K2O>N2O-2%，屬于鉀質(zhì)系列火山巖(樊祺誠等, 2012)。這一系列火山產(chǎn)物的分布特征表明西熱克特奇呼通火山活動經(jīng)歷了射汽-巖漿爆發(fā)、巖漿爆發(fā)與溢流的演化過程。

圖 2 西熱克特奇呼通火山錐體結構地質(zhì)圖(左)與衛(wèi)星圖(右)[據(jù)涂志民(2010)修改]Fig.2 Geological map of the structure(left)and satellite map (right) of Xireketeqihutong volcano (modified after Tu Zhimin, 2010)1—全新統(tǒng)河流相沖積物； 2—上更新統(tǒng)玄武巖； 3—上更新統(tǒng)火山碎屑物； 4—上更新統(tǒng)基浪堆積物； 5—上侏羅統(tǒng)流紋巖； 6—濺落堆積物； 7—玄武巖； 8—基浪堆積物； 9—噴火口； 10—火山口； 11—濺落錐； 12—瑪珥式火山錐； 13—巖漿溢出口； 14—熔巖流流向1—Holocene fluvial alluvium; 2—upper Pleistocene basalt; 3—upper Pleistocene tephra; 4—upper Pleistocene base surges; 5—upper Jurassic rhy-olite; 6—splash down deposits; 7—basalt; 8—base surges; 9—bocca; 10—crater; 11—spatter cone; 12—a cone of Maars; 13—magmatic vent;14—direction of lava flow

1.2 阿爾山-柴河火山群

阿爾山-柴河火山群中發(fā)育了大量的晚更新世瑪珥式火山，如臥牛泡子、烏蘇浪子湖、布特哈、水簾洞和綽爾河西湖等(白志達等, 2012; 崔曉歌, 2018)。其中，臥牛泡子(圖3)和烏蘇浪子湖的火山形態(tài)較為完整。由于植被覆蓋較為嚴重，布特哈、水簾洞和綽爾河西湖西南側(cè)可見零星分布的基浪堆積物。在臥牛泡子和水簾洞均發(fā)現(xiàn)了夾于中更新世坡積物和晚更新世坡積物之間的基浪堆積物(圖4)。此外，零下30℃不結冰的哈拉哈河和臥牛泡子湖發(fā)育多處富硫化氫的低溫溫泉，且經(jīng)常發(fā)生低級別地震，表明阿爾山火山群的巖漿活動仍然較為強烈(趙勇偉, 2007; 白志達等, 2012)。

臥牛泡子火山位于柴河鎮(zhèn)北側(cè)300 m處， 地理坐標為E121°17′27″， N47°34′31″， 是阿爾山-柴河火山群中最典型的瑪珥式火山之一。 該火山最高海拔為934 m， 地形為南低北高， 主要由基浪堆積物和玄武巖組成(圖5)。 錐體呈圓形， 直徑約4.2 km， 火山口呈圓形， 直徑約1.9 km， 深度為55 m。 基浪堆積物主要分布于臥牛泡子火山的西南和東南側(cè)， 覆蓋于晚侏羅世流紋質(zhì)火山巖之上， 主要成分為灰黑色火山碎屑和圍巖碎屑， 粒徑為0.5～3 cm。 西南側(cè)由火山碎屑涌流堆積而成的火山剖面自下而上大致劃分為3個噴發(fā)單元：第1單元內(nèi)發(fā)育平行層理， 至少有25個韻律層， 每個韻律層底部主要為粗粒火山碎屑， 頂部為泥質(zhì)火山細砂；第2和第3單元均發(fā)育平行層理和大型低角度交錯層理， 但二者的層理產(chǎn)狀相差較大。 3個單元之間分別有一個特別明顯的侵蝕面。 濺落堆積物主要為一套含大量火山彈和熔巖餅的近火山口相磚紅色強熔結集塊巖， 主要分布于火山湖東北側(cè)晚侏羅世流紋質(zhì)火山巖上的4個小火山錐中。 此外， 臥牛泡子火山西南側(cè)也有少量的覆蓋于基浪堆積物之上的濺落堆積物。 由于地形的限制， 大量中晚期的基性熔巖流自臥牛泡子火山口南側(cè)往南和西南方向流動， 形成一套以結殼熔巖為主的玄武巖。 玄武巖的K2O含量小于2%， 且K2O>N2O-2%， 屬于鈉質(zhì)系列火山巖(樊祺誠等, 2012)。 臥牛泡子火山以早二疊世碎屑巖和晚侏羅世流紋巖為基底， 先后形成的晚更新世早期基浪堆積物、中晚期降落-濺落堆積物和溢流玄武巖疊置在一起。

1.3 阿巴嘎火山群

阿巴嘎火山群中目前已發(fā)現(xiàn)了6座保存較為完整的瑪珥式火山，其中最為典型的是浩特烏拉、額斯格烏拉和車勒烏拉(王錫嬌等, 2012)。衛(wèi)星圖和地形圖上均顯示這3個瑪珥式火山具有典型的雙輪山地貌，并在野外考察過程中得到驗證。外輪山是由晚更新世早中期射汽-巖漿成因的基浪堆積物構成的低平火山錐，錐體直徑為3～8 km，高度為15～55 m，錐體坡度為5°～15°，總體呈外陡內(nèi)緩，火山口直徑為1.5～4.0 km，火山口深度為15～55 m。內(nèi)輪山是由晚更新世中晚期降落的玄武質(zhì)火山渣和濺落的熔結集塊巖以及溢流式的堿性橄欖玄武巖構成的中心疊置錐，錐體直徑為0.5～1.5 km，高度為30～80 m，錐體坡度一般為30°，火山口直徑為0.3～1.2 km，深度為25～65 m，可見多個噴火口。在完整的火山剖面中，自下而上依次為基浪堆積物、降落-濺落堆積物和玄武質(zhì)熔巖(圖6a、6b)。厚0.5～15 m不等的基浪堆積物由松散或半固結的碎屑物和泥沙質(zhì)基質(zhì)組成， 并發(fā)育一系列平行層理、 大型低角度交錯層理、 韻律層理和下陷層理等構造 (圖6c、 6d、 6e) (王妍, 2011)。 碎屑物主要為玄武質(zhì)火山渣和圍巖碎屑， 含量為50%～75%， 粒徑為0.5～6.0 cm， 隨與火山口距離的增大而減小。 此外， 在低平火山錐外緣的基浪堆積物中可見典型的球粒狀增生火山礫(圖6f)， 含量為30%～55%， 平均粒度為0.5 cm， 粒徑在一定程度上隨著與火山口距離的增加而變大。

圖 3 臥牛泡子火山錐體結構地質(zhì)圖[據(jù)趙勇偉(2007)修改]Fig. 3 Geological map of the structure of Woniupaozi volcanic cone(modified after Zhao Yongwei, 2007)1—全新統(tǒng)沖積物； 2—上更新統(tǒng)上部火山碎屑物； 3—上更新統(tǒng)下部玄武巖； 4—上更新統(tǒng)下部火山碎屑物； 5—上侏羅統(tǒng)流紋巖； 6—上二疊統(tǒng)碎屑巖； 7—堿性玄武巖； 8—降落-濺落堆積物； 9—基浪堆積物； 10—熔結凝灰?guī)r； 11—侵入相霏細巖； 12—石英二長巖； 13—流紋巖； 14—基底巖層； 15—噴火口； 16—濺落錐； 17—火山口； 18—斷層； 19—剖面線； 20—產(chǎn)狀； 21—湖泊1—Holocene alluvium; 2—the top of upper Pleistocene tephra; 3—the middle of upper Pleistocene basalt; 4—the bottom of upper Pleistocene tephra; 5—upper Jurassic rhyolite; 6—upper Permian clastic rocks; 7—alkali basalt; 8—fall-splash down deposit; 9—base surges; 10—ignimbrite; 11—intrusive felsite; 12—adamellite; 13—rhyolite; 14—foundation bed; 15—bocca; 16—spatter cone; 17—crater; 18— fault; 19—section line; 20—attitude; 21—lake

圖 4 臥牛泡子基浪堆積物與坡積物的接觸關系(據(jù)趙勇偉, 2007)Fig.4 The contact profile between base surges and slope deposits of Woniupaozi volcano (after Zhao Yongwei, 2007)

圖 5 臥牛泡子火山剖面圖(據(jù)趙勇偉, 2007)Fig.5 Cross section of Woniupaozi volcano (after Zhao Yongwei, 2007)1—全新統(tǒng)沖積物； 2—上更新統(tǒng)頂部玄武巖； 3—上更新統(tǒng)底部火山碎屑物； 4—上侏羅統(tǒng)流紋巖； 5—上二疊統(tǒng)碎屑巖； 6—堿性玄武巖； 7—基浪堆積物； 8—流紋巖； 9—基底巖層； 10—正斷層； 11—湖泊1—Holocene alluvium; 2—the top of upper Pleistocene basalt; 3—the bottom of upper Pleistocene tephra; 4—upper Jurassic rhyolite;5—upper Permian clastic rocks; 6—alkali basalt; 7—base surges; 8—rhyolite; 9—foundation bed; 10—normal fault; 11—lake

圖 6 基浪堆積物特征Fig.6 The features of base surges a—玄武巖、降落火山渣與基浪堆積物的接觸關系； b—玄武巖與基浪堆積物的接觸關系； c—具有平行層理的基浪堆積物與紅色坡積物的接觸關系； d—下陷構造(王錫嬌等， 2012)； e—大型低角度交錯層理； f—增生火山礫(王錫嬌等， 2012)a—the contact relation between basalt, falling scoria and base surges; b—the contact relation between basalt and base surges; c—the contact relation between red slope deposits and base surges with parallel bedding; d—sag structure (Wang Xijiao et al., 2012); e—large low angle cross-bedding;f—accretionary lapilli (Wang Xijiao et al., 2012)

1.3.1 浩特烏拉火山

浩特烏拉火山位于別力古臺鎮(zhèn)南部，距阿巴嘎旗南東約22 km，地理坐標為E115°8′18″，N43°50′30″。該火山的外輪山海拔為1 230 m，內(nèi)輪山海拔為1 240 m， 且雙環(huán)均呈圓形， 是中國乃至全球最典型的雙環(huán)復合火山。外環(huán)屬于晚更新世中期的瑪珥式火山錐，錐體高約40 m，直徑約3 km，火山口規(guī)模較大， 直徑長達1.5 km， 且被2～5 m厚的全新統(tǒng)湖相含砂礫的泥質(zhì)沉積物所覆蓋，錐體坡度為13°，火山口坡度為8°。內(nèi)環(huán)是由2個相互疊置的晚更新世晚期橢圓形降落-濺落錐構成的中心疊置錐，高約80 m，整體直徑約1.2 km，錐體坡度為25°，火山口坡度為30°，呈外緩內(nèi)陡。

浩特烏拉火山是一個復合火山作用的產(chǎn)物，其活動時代大致分為2個階段，并且每個階段又包含了多期火山噴發(fā)。根據(jù)火山結構特征(圖7)，自低平火山口中心向外依次為全新世湖積泥質(zhì)沉積物、磚紅色濺落堆積熔結集塊巖、全新世風成沙土與沖積砂礫石、晚更新世中期第2單元堿性橄欖玄武巖、晚更新世中期基浪堆積物和第1單元堿性橄欖玄武巖。晚更新世中期，深部高溫巖漿沿基底斷裂上侵，并對淺地表含水層加熱，使地下水不斷汽化、增壓，最后發(fā)生強烈的爆炸，形成典型的瑪珥式低平火山錐和分布于浩特烏拉火山外輪山一帶的基浪堆積物。晚更新世晚期，隨著上侵巖漿的增多和地下水的減少，二者相互作用減弱，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹r漿爆發(fā)，在低平火山口中心南側(cè)形成由降落-濺落堆積物構成的火山錐，并有大量玄武質(zhì)巖漿往北、西和東3個方向流去，大面積地覆蓋在基浪堆積物之上。在短暫的巖漿活動間歇期之后，低平火山口內(nèi)再次發(fā)生巖漿爆發(fā)，在北部形成一個規(guī)模比早期錐體大且形態(tài)完整的新降落-濺落錐，呈疊瓦狀覆蓋在南側(cè)火山錐的北緣之上，構成一個中心疊置錐。南側(cè)火山錐長軸為900 m，短軸為450 m，北側(cè)火山錐長軸為1 000 m，短軸為500 m，兩錐體的長短軸比均為2。北側(cè)噴火山口噴出的灰黑色降落火山碎渣和磚紅色濺落堆積熔結集塊巖覆蓋于南火山錐北緣濺落堆積物之上，表明構成中心疊置錐的2個降落-濺落錐明顯屬于前后兩期火山噴發(fā)的產(chǎn)物，且南側(cè)火山錐形成時代早于北側(cè)火山錐。晚更新世晚期巖漿爆發(fā)后，大量含地幔包體的玄武質(zhì)巖漿從東北和西南溢出口溢出，覆蓋在早期形成的基浪堆積物和玄武巖之上，形成以堿性橄欖玄武巖為主的塊狀熔巖。

圖 7 浩特烏拉火山錐體結構地質(zhì)圖(左)與衛(wèi)星圖(右)[據(jù)王錫嬌等(2012)修改]Fig. 7 Geological map of the structure(left)and satellite map (right) of Haotewula volcano (modified after Wang Xijiao et al., 2012)1—全新統(tǒng)湖積物； 2—上更新統(tǒng)上部玄武巖； 3—上更新統(tǒng)下部玄武巖； 4—上更新統(tǒng)下部火山碎屑物； 5—玄武巖； 6—濺落堆積熔結集塊巖； 7—基浪堆積物； 8—噴火口； 9—熔巖溢出口； 10—濺落錐； 11—瑪珥式火山錐； 12—火山口； 13—低平火口1—Holocene lacustrine deposits; 2—the top of upper Pleistocene basalt; 3—the middle of upper Pleistocene basalt; 4—the bottom of upper Pleistocene tephra; 5—basalt; 6—splash down accumulation of welded agglomerate; 7—base surges; 8—bocca; 9—lava vent; 10—spatter cone;11—a cone of Maars; 12—crater; 13—low crater

1.3.2 額斯格烏拉與車勒烏拉火山

額斯格烏拉和車勒烏拉火山均位于那仁寶拉格蘇木鄉(xiāng)東南部，二者相鄰，地理坐標為E114°14′23″，N44°15′18″，距阿巴嘎旗北西約58 km，兩者的雙環(huán)結構并不明顯(圖8、圖9)。額斯格烏拉火山規(guī)模極大且結構較為完整，屬于內(nèi)蒙古東部目前最大的瑪珥式火山，錐體呈橢圓形，長軸直徑約7.8 km，短軸約6.3 km，長短軸之比為1.2，高度為45 m，整體形態(tài)較為平緩，錐體坡度為6°～8°。低平火山口呈圓形，直徑約4 km，深度約15 m。火山口內(nèi)被全新世沼澤-湖泊沉積的淤泥所覆蓋，并發(fā)育2個積水洼地。火山錐主要由厚層的基浪堆積物、薄層的降落玄武質(zhì)火山渣、濺落堆積熔結集塊巖和堿性橄欖玄武巖組成。

圖 8 車勒烏拉(左)與額斯格烏拉(右)火山錐體結構地質(zhì)圖[據(jù)王錫嬌等(2012)修改]Fig. 8 Geological map of the structure of Chelewula(left)and Esigewula (right) volcanic cone (modified after Wang Xijiao et al., 2012)1—全新統(tǒng)風積沙土、沖積砂礫石； 2—全新統(tǒng)湖沼淤泥； 3—上更新統(tǒng)火山碎屑物； 4—上更新統(tǒng)玄武巖； 5—上更新統(tǒng)基浪堆積物； 6—玄武巖； 7—濺落堆積熔結集塊巖； 8—基浪堆積物； 9—噴火口； 10—濺落錐； 11—低平火口； 12—產(chǎn)狀； 13—湖泊； 14—火山口1—the aeolian sand, alluvial sand and gravel of Holocene; 2—Holocene lacustrine sludge; 3—upper Pleistocene tephra; 4—upper Pleistocene basalt; 5—upper Pleistocene base surges; 6—basalt; 7—splash down accumulation of welded agglomerate; 8—base surges; 9—bocca; 10—spatter cone; 11—low crater; 12—attitude; 13—lake; 14—crater

圖 9 車勒烏拉(左)與額斯格烏拉火山(右)衛(wèi)星圖Fig. 9 Satellite maps of Chelewula(left)and Esigewula(right) volcanos

車勒烏拉火山海拔高度為1 162 m，外環(huán)錐體呈圓形，直徑約6.8 km，高度約55 m，坡度呈西陡東緩，規(guī)模也比一般瑪珥式火山要大許多。低平火山口呈圓形，直徑約2.5 km，深度約40 m，火山口內(nèi)零星發(fā)育若干小湖泊，在雨季多形成季節(jié)性湖泊。中心疊置錐由晚期降落火山碎屑物、磚紅色濺落堆積的強熔結集塊巖和溢流式的堿性橄欖玄武巖組成，發(fā)育3個小型噴火山口，整體呈圓形，直徑約300 m，高度約57 m，錐體局部被全新世湖積淤泥所覆蓋(圖10)。

額斯格烏拉和車勒烏拉的火山活動整體劃分為2個階段：晚更新世早期，南側(cè)發(fā)生射汽-巖漿爆發(fā)，產(chǎn)生大量基浪堆積物，形成額斯格烏拉外環(huán)的瑪珥式低平火山錐。隨著地下水被消耗殆盡，額斯格烏拉火山在晚更新世中期轉(zhuǎn)變?yōu)閹r漿爆發(fā)，產(chǎn)生少量降落堆積的玄武質(zhì)火山渣、大量濺落堆積的熔結集塊巖和溢流堿性橄欖玄武巖，形成內(nèi)環(huán)的中心疊置錐。同時，火山活動中心向北遷移，在北側(cè)發(fā)生射汽-巖漿爆發(fā)，形成車勒烏拉外環(huán)的瑪珥式火山錐。晚更新世晚期，車勒烏拉火山活動也轉(zhuǎn)變?yōu)閹r漿爆發(fā)，產(chǎn)生少量降落堆積的玄武質(zhì)火山渣、大量濺落堆積的熔結集塊巖和溢流堿性橄欖玄武巖，形成內(nèi)環(huán)的中心疊置錐。額斯格烏拉火山的整體輪廓不太清晰，濺落堆積的熔結集塊巖風化較為嚴重，而車勒烏拉火山外形完整，保存完好，輪廓清晰。在長時間的風化剝蝕作用下，早期由降落火山渣、濺落熔結集塊巖等構成的中心疊置錐不斷變矮，再加上火山湖中沉積物充填，額斯格烏拉火山的火山口越來越平坦，雙環(huán)結構的輪廓也越來越模糊，而晚期的車勒烏拉火山所受的風化剝蝕作用和沉積作用相對較弱，故推測認為額斯格烏拉火山的形成時代早于車勒烏拉火山。

圖 10 車勒烏拉火山剖面圖[據(jù)王妍(2011)修改]Fig.10 Cross section of Chelewula volcano (modified after Wang Yan, 2011)1—全新統(tǒng)湖積物； 2—上更新統(tǒng)火山碎屑物； 3—上更新統(tǒng)玄武巖； 4—上更新統(tǒng)火山碎屑物； 5—上新統(tǒng)地層； 6—湖積淤泥； 7—濺落堆積熔結集塊巖； 8—玄武巖； 9—基浪堆積物； 10—基底地層； 11—正斷層1—Holocene lacustrine deposits; 2—the top of upper Pleistocene tephra; 3—the middle of upper Pleistocene basalt; 4—the bottom of upper Pleistocene tephra; 5—upper Pleistocene strata; 6—lacustrine sludge; 7—splash down accumulation of welded agglomerate; 8—basalt;9—base surges; 10—foundation bed; 11—normal fault

2 火山活動時代

在確定火山的噴發(fā)時代時，14C、熱釋光、裂變徑跡、40Ar-39Ar、K-Ar和鈾系不平衡法是常用的測年方法。但是對于晚第四紀火山而言，由于測試方法和精度的限制，大多數(shù)同位素測年方法并不適用，故而無法獲取準確的火山噴發(fā)時間。同時，不同測年方法對樣品的要求有所不同，獲取相關樣品的難易程度也有所不同。由于瑪珥式火山的特殊成因，基浪堆積物中的碎屑物主要是粒徑不等的圍巖碎屑和玄武質(zhì)火山碎屑，且圍巖碎屑多為早期巖石受爆炸作用破碎而成，部分玄武質(zhì)火山碎屑是射汽-巖漿爆發(fā)過程中由玄武質(zhì)巖漿經(jīng)冷凝、固結和炸裂而成，不僅量少，也難以提純，而后者才是真正的測年對象。因此，獲取能夠代表瑪珥式火山噴發(fā)時代的測年樣品十分困難。

既然難以對瑪珥式火山噴發(fā)物進行直接測年，那就需要在野外仔細尋找其它地質(zhì)證據(jù)。對于火山而言，最顯著的標志是火山地貌。在風化剝蝕作用下，形成時代不同的火山，其錐體形態(tài)通常會發(fā)生不同程度的變化，如錐體高度逐漸變低、坡度變緩以及錐體表面出現(xiàn)深度不同的沖蝕溝等現(xiàn)象。一般來說，時代越新，錐體風化降解程度越低，火山機構保存越完整(白志達等, 2012 )。因此，火山地貌特征也可以作為火山噴發(fā)時代的判斷依據(jù)。內(nèi)蒙古東部晚更新世以前形成的火山，錐體已基本被破壞剝蝕掉，少量殘留火山產(chǎn)物零星地分布于火山四周，地貌標志極不明顯(白志達等, 2012; 崔曉歌, 2018)。在地形地貌上，一系列錐體形態(tài)較為清晰的火山基本都是晚更新世以來形成的(趙勇偉, 2007; 王妍, 2011; 樊祺誠等, 2015)。瑪珥式火山多具有低矮的錐體和低平火山口，火山口深度一般不超過40 m，常被后期火山噴發(fā)物所覆蓋。雖然內(nèi)蒙古東部的瑪珥式火山錐體受到一定程度的風化剝蝕，但是整體火山機構和形態(tài)仍然保存較好，代表射汽-巖漿爆發(fā)的基浪堆積物、低平火山口和增生火山礫等要素依舊可見。

在阿爾山-柴河火山群的臥牛泡子和水簾洞以及阿巴嘎火山群的額斯格烏拉和車勒烏拉等火山剖面中，均可見基浪堆積物覆蓋于中更新世坡積物之上，并被晚更新世晚期和全新世坡積物所掩蓋。同時，還有大量覆蓋于中更新世坡積物之上的基浪堆積物被晚更新世中晚期濺落堆積的磚紅色、棕褐色強熔結集塊巖和灰黑色堿性橄欖玄武巖所覆蓋，局部可見降落堆積的薄層玄武質(zhì)火山渣夾于基浪堆積物和濺落堆積物之間。此外，諾敏河火山群的畢拉河二級階地玄武巖頂部烘烤層和底部烘烤的沉積礫石層熱釋光測年結果分別為44.25±3.76 Ka.B.P和57.3±4.87 Ka.B.P，基本可以代表諾敏河火山群晚更新世火山活動的年齡(馬保起等, 2006)。阿巴嘎火山群的額斯格烏拉火山東側(cè)和車勒烏拉火山中部的晚期濺落堆積物中含有較多高溫烘烤的上新世砂泥巖“包體”，其熱釋光測年結果均為0.112±0.009 6 Ma.B.P(白志達, 2012)。根據(jù)瑪珥式火山的地形地貌特征、火山錐體和相關火山噴發(fā)物的風化降解程度以及基浪堆積物與其他火山噴發(fā)物和第四紀沉積物等巖體之間的疊置關系，結合熱釋光測年結果，可將內(nèi)蒙古東部晚第四紀瑪珥式火山活動時代暫定為晚更新世早中期。

3 瑪珥式火山的成因機制與噴發(fā)過程

內(nèi)蒙古東部火山群中的瑪珥式火山都具有相近的噴發(fā)時代和相似的火山地質(zhì)特征，均為晚更新世早中期火山活動的產(chǎn)物，且具有相同的火山噴發(fā)序列，總體可分為3期：第1期為射汽-巖漿爆發(fā)成因的瑪珥式火山，第2期演變?yōu)閹r漿爆發(fā)與噴溢型的降落-濺落錐，第3期逐漸轉(zhuǎn)為巖漿溢流型的玄武質(zhì)熔巖，表明其活動機制與噴發(fā)演化過程也可能類似。瑪珥式火山是巖漿與水相互作用而產(chǎn)生射汽或射汽-巖漿爆發(fā)的結果，其主要的控制因素為相對封閉體系中水的質(zhì)量、巖漿溢出率(Zimanowskietal., 1991; Dellino and Volpe, 2000)。熾熱的巖漿與水的相互作用是指：當二者未直接接觸時，高溫巖漿通過熱傳遞使地下水不斷汽化；當二者直接接觸時，一方面巖漿會使水汽化，另一方面水會使巖漿冷卻，并發(fā)生淬火作用(Muelleretal., 2000; 孫謙等, 2003)。一般情況下，處于相對封閉體系中的水與上侵巖漿的質(zhì)量比Rs介于0.1～1.0之間時容易發(fā)生射汽或射汽-巖漿爆發(fā)(Wohletz, 2002; 孫謙等, 2005a)。內(nèi)蒙古東部零星分布著一系列由早期河湖萎縮、分裂而殘留下來的溪流、湖泊，成為相對封閉體系的淺層地下水的重要來源。同時，內(nèi)蒙古東部廣泛分布著具有良好含水性的礫巖、砂巖和粉砂巖和具有良好封閉性的泥巖蓋層，如厚約50 m的中新統(tǒng)砂礫巖、厚約30 m的上新統(tǒng)寶格達烏拉組紅色砂巖和灰黑色泥巖蓋層、厚約60 m的中下更新統(tǒng)砂礫巖和粘土巖(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1991)。火山區(qū)十分發(fā)育的斷裂構造成為地表水下滲和巖漿上侵的優(yōu)良通道。豐富的地表水與淺層地下水、良好的含水層與蓋層、極為發(fā)育的構造裂隙和充足的上侵高溫巖漿為射汽-巖漿爆發(fā)提供了必要的條件。此外，雖然深部高溫巖漿在上侵過程會由于溫度和壓力的變化而發(fā)生出溶作用，并在局部區(qū)域形成具有一定壓力的揮發(fā)分，對射汽-巖漿爆發(fā)或多或少會產(chǎn)生一定的影響。

內(nèi)蒙古東部瑪珥式火山的噴發(fā)演化過程整體具有一定的規(guī)律性。晚更新世早期，地殼深部沿區(qū)域斷裂不斷上侵的高壓高溫巖漿使處于相對封閉環(huán)境下的地下水不斷汽化，并在含水層頂部形成局部高壓區(qū)(圖11a)。當氣壓超過上覆巖體的臨界壓力值時，淺地表高壓區(qū)則會發(fā)生強烈爆炸，沖破上覆地質(zhì)體，并產(chǎn)生大量自火山口向外緊貼火山口內(nèi)壁和地表橫向流動的基浪涌流(圖11b)。若爆炸過程中無巖漿直接參與，碎屑涌流主要為爆破的圍巖碎屑、具有一定溫度的泥沙質(zhì)氣液混合物，則稱該火山作用為射汽爆發(fā)。反之，若巖漿直接參與，火山碎屑涌流主要為玄武質(zhì)巖漿碎屑、爆破的圍巖碎屑、具有一定溫度的火山灰-泥沙質(zhì)氣液混合物，則稱該火山作用為射汽-巖漿爆發(fā)。隨著基浪涌流運移距離的增大，顆粒粗、比重大的碎屑物在重力作用下先沉積，從而形成自火山口向外碎屑物粒度逐漸減小的分選現(xiàn)象。經(jīng)過搬運、沉積、固結，乃至成巖作用后，基浪涌流可以形成一系列覆蓋于基巖之上的基浪堆積物。此外，在基浪涌流運移過程中，小顆粒碎屑物和氣泡不斷滾動和凝聚基浪涌流中的火山灰、泥質(zhì)，從而形成以碎屑物和氣泡為核心且具有同心圓層的球粒狀增生火山礫。隨著與火山口距離的增大，增生火山礫的粒徑也一定程度地增大。晚更新世中期，當巖漿充足時，火山活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐詭r漿爆發(fā)為主，形成具有一定高度的火山噴發(fā)柱，并產(chǎn)生少量降落堆積的薄層玄武質(zhì)火山渣，局部覆蓋于早期基浪堆積物之上。若巖漿爆發(fā)的規(guī)模較大，早期瑪珥式火山錐體極易被破壞，從而形成以降落堆積為主的松散火山渣錐。隨著巖漿供給不足、巖漿揮發(fā)分減少、地下水或地表水不足以及火山通道逐漸暢通，火山活動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閲娙綆r漿噴發(fā)，并在火山口附近形成一套高溫的濺落堆積物，冷卻固結后為磚紅色強熔結集塊巖(圖11c)。晚更新世晚期，由于火山通道完全暢通，大量堿性玄武質(zhì)巖漿自火山口溢出，部分覆蓋于早中期的基浪堆積物和降落-濺落堆積物之上(圖11d)。

內(nèi)蒙古東部火山群中的各個瑪珥式火山的錐體低矮，火山口平緩，深度較淺，總體介于10～60 m之間。車勒烏拉火山的基浪堆積物和濺落堆積物中含豐富的紅色砂巖、灰黑色泥巖碎屑等包體表明內(nèi)蒙古東部射汽或射汽-巖漿爆發(fā)的深度一般較淺，通常不會形成明顯的火山噴發(fā)柱，而是形成一種自火山口向四周緊貼地表橫向流動的基浪涌浪，最終堆積形成具有爬升層理、平行層理、大型低角度交錯層理等結構構造的基浪堆積物。若巖漿爆炸深度較大，要么是因能量充足而沖破地表，產(chǎn)生具有一定高度的火山噴發(fā)柱，形成以降落堆積的玄武質(zhì)火山渣為主的斯通博利式等火山類型(魏海泉等, 1999; 白志達等, 2006; 曹園園等, 2013)；要么是能量不足以沖破上覆地質(zhì)體，形成隱爆巖等巖體(王照波, 2001; 高軻等, 2017)，這兩種情況都無法形成瑪珥式火山。在早期瑪珥式火山形成后，若瑪珥式火山口附近再次形成滿足射汽-巖漿爆發(fā)所需的條件，那么在原火山口處也可能再次形成新的瑪珥式火山，從而使瑪珥式火山口直徑和深度出現(xiàn)一定程度的加大加深現(xiàn)象(Lorenz, 1986)。此外，在整個火山活動過程中，大量巖漿的消耗和殘余巖漿的冷卻收縮作用也容易在火山口下方形成一定空隙，因無法承受上覆地質(zhì)體的壓力，而發(fā)生一定程度的塌陷。

圖 11 瑪珥式火山演化過程Fig.11 The evolution process of Maars1—玄武巖； 2—灰黑色火山濺落堆積物； 3—棕褐色火山降落堆積物； 4—具有平行層理、大型低角度交錯層理等構造的基浪堆積物； 5—泥頁巖封閉層； 6—砂礫巖含水層； 7—基底巖層； 8—沿斷裂上侵的高溫巖漿； 9—相對封閉環(huán)境下受高溫巖漿加熱-汽化的地下水； 10—淺地表射汽-巖漿爆炸點； 11—火山碎屑涌流； 12—涌流方向1—basalt; 2—the gray-black splash down deposits of volcano; 3—the brown falling deposits of volcano; 4—base surges with parallel bedding, large-low angel cross bedding, etc; 5—the confining bed of shale; 6—sand-gravel aquifer; 7—foundation bed; 8—hot magma intrusion along the fault; 9—groundwater heated by high temperature magma in a relatively closed environment; 10—steam-magma explosion point at shallow surface; 11—pyro-clastic flow; 12—the direction of pyroclastic flow

4 結語

(1) 內(nèi)蒙古東部晚第四紀火山活動初期形成了以西熱克特奇呼通、臥牛泡子、浩特烏拉、車勒烏拉和額斯格烏拉為代表的瑪珥式火山，分別分布于北東向展布的各個火山群中，屬于晚更新世早中期射汽-巖漿爆發(fā)的產(chǎn)物。

(2) 射汽-巖漿爆發(fā)所需要的條件較為復雜，主要控制因素為處于淺地表相對封閉體系中地下水的質(zhì)量、深部上侵巖漿的溢出率。同時，地表水的分布位置與質(zhì)量、淺地表含水層與蓋層的優(yōu)良性、區(qū)域斷裂構造的發(fā)育程度、巖漿中揮發(fā)分的出溶率等也會對射汽-巖漿爆發(fā)產(chǎn)生一定的影響。新近紀晚期和第四紀早期豐富的河湖相地表水是地下水的重要來源。區(qū)域斷裂構造的存在為上侵的深部高溫巖漿和進入相對封閉環(huán)境的地表水或地下水提供了運移通道和存儲場所。

(3) 射汽-巖漿爆發(fā)的深度一般較淺，通常不會形成明顯的火山噴發(fā)柱，而是形成緊貼地表向火山口四周橫向流動的基浪涌流，最終堆積形成具有爬升層理、平行層理、大型低角度交錯層理等結構構造的基浪堆積物和球粒狀增生火山礫。由于爆炸深度淺和火山碎屑物的充填，瑪珥式低平火山口的深度通常為10～60 m。若原來的瑪珥式火山口附近再次發(fā)生射汽-巖漿爆發(fā)作用，則可能會使原低平火山口的直徑和深度加大。

(4) 在同一瑪珥式火山中，厚層基浪堆積物、降落堆積的薄層玄武質(zhì)火山渣、濺落堆積的熔結集塊巖和堿性橄欖玄武巖之間的疊覆關系表明火山噴發(fā)存在著一定的演化規(guī)律，即在整個火山活動過程中，當滿足射汽-巖漿爆發(fā)所需條件時，早期一般可以形成由基浪堆積物構成的瑪珥式火山；隨著巖漿增多、地下水被消耗殆盡，火山活動中期逐漸演變?yōu)橐詭r漿爆發(fā)為主，形成一系列覆蓋于瑪珥式火山錐之上且具有多個噴火山口的降落-濺落錐，甚至可能形成斯通博利式、布里尼式火山；當巖漿通道完全暢通時，火山活動晚期沿火山口溢流出的玄武質(zhì)熔巖流廣泛地覆蓋在早期火山噴發(fā)物之上，也可能會形成夏威夷式火山。

致謝感謝各位審稿專家提出了寶貴的修改意見。