金山火山活動在區域黃土沉積中的記錄研究

石曉麗

摘 要：區域黃土沉積對金山火山活動有著良好的記錄，但未被完全揭示出來。通過野外實地考察和實驗室磁化率和化學元素的測試結果表明：1）沉積層中混入火山噴發物，其理化性質會發生變化。2）黃土沉積層中磁化率為峰值、Rb/Sr比值為谷值，疑似受到火山活動影響的層位；古土壤發育時期的磁化率值遠高于其他古土壤層，可能夾雜著火山噴發物的層位。推斷金山火山至少存在3期活躍期。

關鍵詞：金山火山；黃土-古土壤序列；火山活躍期；磁化率；Rb/Sr比值

0.引言

第四紀時期，大同盆地的三個主要地質地貌事件之一是火山活動（其他兩個是湖退-湖侵、古人類活動）[1-7]。大同火山群是我國六大著名火山群之一，是我國華北地區唯一保存完好的第四紀火山群，在全國各火山群中名列榜首。大同火山群集典型的地質遺跡、奇美的自然風光、獨特的人文景觀于一園，被譽為“東亞大陸稀有的自然遺產”和“火山地質博物館”。大同火山群是第四紀地殼運動的典型遺存，位于平坦開闊的大同盆地東端和桑干河中游的河谷地帶。在許多地學家的眼中，無論從群落整體規模和構成形態的多樣性以及原始景觀保留的完整性任何一個方面去看，大同火山均已成為東亞大陸地區的人們藉以認識該地區火山地質的珍稀標本。大同盆地中分布著眾多火山，在大同縣城周邊東西跨越約30km、南北跨越約20km的范圍內，分布著31座大小不一的火山（圖1）。

20世紀30年代開始就有不同的學者對其活動歷史展開研究。但由于測年手段的不同、野外采樣層位的差異以及火山噴發的次數多等原因，目前學界對其階段性活動歷史還沒有形成統一的認識，關于其活動年代仍爭論不斷。大同火山活動的階段性歷史是一個尚未被揭示清楚的地學問題。第四紀時期，大同盆地中覆蓋著厚層黃土-古土壤沉積層；這些沉積層較好地記錄著區域氣候變遷與地質事件。野外實地考察發現：區域火山噴發會產生大量玄武巖質的火山渣、火山砂、火山灰和熔漿，顏色呈現出灰黑色。粗的火山渣、火山砂和熔漿會在火山錐附近沉降或者停止運動，細的火山灰物質隨著風飄落到較遠的沉降。第四紀大同盆地在湖泊之下形成大同古湖；區域的沉積特征顯示，區域南區的火山一般位于湖泊之下，北區的火山是處于當時的湖岸之上。火山活動在時間上應具有階段性，即活躍期和平靜期之分。火山活躍期會在區域湖相沉積層和黃土沉積層中都會留下記錄。本文的研究對象是金山火山活躍期，金山火山是大同火山群其中之一。金山火山位于區域的北區，主要是氣下堆積的黃土沉積物。根據大量的野外調查，對金山火山活躍期在區域黃土沉積中的記錄進行實驗和分析，以揭示其活動期次，并拓展對大同火山活動歷史的認識。

1.區域概況與研究方法

1.1 區域概況

在陽高-天鎮地塹的西南和黃花梁-砂板梁地塹的東北的隆起是金山火山群，從第四紀初期開始到現在，金山火山群一直處于隆起的狀態。在早更新世及中更新世時期，金山火山在湖面之上，所以這里沒有湖相沉積層，上新世時期，在聚落堡處紅土出露到地表之外。在中更新世時期，火山活動噴發的碎屑沉積物與紅色土互層分布，說明在中更新世時期這里曾經發生過多次的火山活動。

大同火山群里最大的一個火山錐就是金山火山，在許堡-閣老莊斷裂帶上，屬于大同火山的北區。大同火山形態多樣，馬蹄形火山是其的主要的形態。金山火山錐屬于馬蹄形火山，破口向東北敞開，北坡較緩，南坡較陡，北坡的坡度大約在16°左右，南坡的坡度大約在30°左右，南坡的相對高度比北坡高20-30 m。金山火山形態相對完整，火山山坡上部較陡，下部較緩。金山火山錐中下部的火山礫具有氣孔發育的特征，火山礫呈裙狀分布在火山錐的周圍，因為具有氣孔發育的特征使火山礫的比重要小于水的比重，可以漂浮在水體的表面，所以金山又有一個稱呼叫浮石山。由于自然和人為的因素，金山火山錐附近的流水侵蝕和采石挖掘，在大同火山群中，只有金山的火山有著良好的出露，可以觀察內部的結構，可以看到熔巖流的流動情況和火山碎屑的沉積層是如何堆積的。可以根據熔巖中的氣孔長軸，推測出東北方向為金山熔巖流的流動方向。

金山火山在大同火山群中是保存比較好的火山碎屑錐，金山火山錐的內側為紅色的火山碎屑層并且層理發育良好，在金山火山錐的外側沉積的是黑色的火山碎屑層[8]。在野外觀察中發現金山剖面火山熔巖層以及火山碎屑物直接沉積在黃土之上，可以通過觀察推斷出火山噴發后熔巖流的流動方向和火山碎屑物的沉積情況。金山火山發生過多次的火山噴發，多層火山碎屑物疊加沉積，厚度不一的熔巖層，形成最后的金山火山錐。在金山火山周圍裸露的剖面中，可以看到火山上面覆蓋風沉黃土，下部是暗紅色或者黑色火山熔巖、浮石、火山彈等火山碎屑物，火山錐周圍有熔巖舌并且具有薄而窄的特點，四周有較多的羊尾溝分布。

大同盆地中分布著第四紀河湖相沉積層和黃土-古土壤沉積層，在此期間，間接性火山活動噴發一些火山碎屑物在大同盆地中沉積，在大同火山群內出現黃土-古土壤、河湖相沉積層和火山碎屑物互層分布的特殊現象。金山剖面的沉積特征是黃土與火山灰、火山渣和火山熔巖等火山碎屑物互層分布。

1.2 研究方法

根據第四紀區域沉積環境的特點，為了了解金山火山活動在黃土沉積中的記錄，在野外實地考察一些出露比較好的黃土沉積剖面。在金山火山錐附近共采集了2個剖面，分別是金山西北溝剖面1和金山西北溝剖面2。

剖面樣品的采集按10 cm的間隔；主要采用了磁化率和化學元素對剖面的沉積特征進行實驗分析。樣品的預處理主要有樣品的自然風干和研磨，實驗樣品預處理完后開始進行磁化率測試，用10 ml圓柱形磁化率測量專用無磁性塑料杯子里稱重10 g左右的樣品，使用的電子天平精度為0.1 mg的美國OHAUS Explorer Pro 系列，再使用英國 Bartington 公司生產的MS2型磁化率儀器測量實驗樣品磁化率。對同一個樣品質量磁化率進行3次測量，是為了求3次樣品的平均磁化率，提高實驗數據的可靠性。最后的磁化率值是平均磁化率除以樣品質量然后再乘以10 g，因為質量的不同影響磁化率值的高低，磁化率就不具可比性，這樣可以得到標準質量磁化率值。在上海師范大學旅游學院城市生態與環境過程重點實驗室使用美國Innov-X手持型X射線熒光光譜儀實驗完成化學成分的測試。要用標準樣品對儀器進行校準，在每次重新測試前都需要進行校準，把樣品裝入密封的袋中壓實測量。每個樣品需要測量3分鐘，之后把數據導入電腦進行數據的分析。

2.黃土沉積剖面系列特征

2.1 金山火山西北溝剖面1特征

金山西北溝剖面1（40°7′23″N、113°36′7″E，剖面底部的海拔高度是1180 m）為黃土沉積剖面，大概有12 m，裸露出古土壤S5晚期以來的黃土古土壤沉積層，有S5、S4、S3和S2發育成熟的4條古土壤層分布其中，自上而下采集了120個樣品。

自上而下剖面沉積層各層特征描述如下：

1.S2 棕紅色、棕褐色，亞粘土，中部有散狀的鈣結核，底部的鈣結核成層稀疏分布，結核呈長柱狀、球狀和扁圓形等。

2.L3 淺黃到褐黃色，粉砂、亞砂土，質地均勻疏松，有少量小結核。

3.S3 淺紅褐色，亞粘土，底部稀疏分布呈球狀、長柱狀和板狀的鈣質結核，延長分布。

4.L4 灰黃色，亞砂土，質地疏松均勻，底部有少許鈣質小結核。

5.S4 棕褐色、紅棕色，亞粘土，底部多為橢圓形、

長柱形和錐形等鈣質結核，具有粒狀和棱柱狀結構。

6.L5 淡紅黃色，屬亞砂土，有較平整的斷面。

7.S5 頂部淋溶層，棕褐色，亞粘土，粒狀結構，有根孔。

8.S5 的下部是黃色砂層，混雜著一層黑色條帶沉積物。

對金山剖面1進行了磁化率和化學元素的分析（圖3），

剖面的磁化率曲線與野外剖面描述的黃土古土壤層位符合，說明野外剖面的判斷是正確的。Rb/Sr值曲線圖說明古土壤發育時期受到的風化作用較強，比值較高[9-12]。磁化率值較高的區間，元素Ti和Fe含量也呈現出較高值。

為了了解剖面古土壤S5下方砂層中所夾黑色粉砂物質的性質，用過篩法對層位中黑色粉砂物質進行了分離提純，并進行磁化率和化學元素的實驗。在金山剖面中還采集了不含黑色粉砂物質的黃砂樣品、距坡麓稍遠的古湖近岸處火山碎屑樣用作對比，并做同樣的實驗（表1）。

對比測試結果發現，提純后的黑色粉砂物質磁化率值、化學元素含量都高于其他樣品，特別是比不含黑色粉砂物質的黃砂樣品高出一個數量級，Ti、Fe含量也很高。金山火山坡麓處、距坡麓稍遠的古湖近岸處的火山碎屑樣也具有較高的磁化率和化學元素含量值；雖然其值低于提純后的黑色粉砂物質，但是顯著高于不含黑色粉砂物質的黃砂樣品。測試數據顯示黑色粉砂物質與金山火山坡麓處火山碎屑樣品在這些參數特征上具有近似性，有化學元素Ti、Cr、Mn、Fe、Zn、Rb、Sr、Zr、Ba。

2.2 金山火山西北溝剖面2特征

金山剖面1（40°7' 8"N、113°36' 15"E，海拔高度是1190 m），剖面2出露L1到L4的沉積層，大約有17.5 m。剖面中有3條S1、S2、S3發育成熟的古土壤層和一條L1-ss弱發育的古土壤層。剖面采取了175個樣品，自上而下的物理描述如下：

1.L1 灰黃、淺灰黃色，接近中部的地方略微有一點呈淡褐色，粉砂、亞砂土，質地疏松，不平整的斷面垂直節理發育，呈白色斑點分布的碳酸鹽。

2.S1 黃褐色、棕紅色，亞粘土，具棱塊狀、棱柱狀結構，可見白色鈣膜在隙壁表面，底部鈣質結核直立成層，多是圓錐形、長條形、橢圓形和樹枝形等，有的結核呈現同心圓結構。

3.L2 灰黃、淺黃色，粉砂至亞砂土，質地均勻疏松，有較平整的斷面，呈白色小點的碳酸鹽，下端有丸粒結構。

4.S2 上部棕紅色，下部淺棕褐色，亞粘土，呈白色斑點、假菌絲、管狀分布的碳酸鹽，中部有散狀分布的鈣結核，底部鈣結核成層、稀疏分布，結核呈球狀、扁圓形等。

5.L3 淺黃色，粉砂、亞砂土，質地疏松均勻，有白色碳酸鹽小點和少量小結核。

6.S3 顏色較淺，呈淺紅褐色的古土壤層，亞粘土，呈菌絲狀分布的白色碳酸鹽，下端增多。底部零星分布鈣結核。

7.L4 黃土呈灰黃色，亞砂土，質地疏松多孔、均勻，有少許碳酸鹽成白色小點，底層有較少的鈣質小結核。

金山剖面2的磁化率和化學元素的分析（圖4），野外剖面物理描述所判斷的3條古土壤層S1、S2、S3發育成熟的古土壤層及1條L1-ss弱發育的古土壤層與磁化率值曲線變化區間是一致的。磁化率曲線圖在第1、2、4、6層表現出高峰值，尤其是在第2層的磁化率值遠高于其他的層位。

3.區域黃土沉積特征對金山火山活動的記錄分析

金山西北溝剖面1中有2個深度區間內的磁化率值出現異常，表示在黃土沉積層中有一些高磁化率值的物質的混入。從第8層中提純的高濃度黑色粉砂物質與金山火山錐附近的火山碎屑物在一些特征參數上雖然有差異，但是數據值都很高，反映在物源上它們具有相關性。區域火山噴發物中的磁性礦物阻擋溫度較低（約580℃），磁性礦物類型應為磁鐵礦[13]。在對冰島火山的研究中發現，沉積層中混入火山噴發物，其的磁化率值會呈現出高峰值、低谷值的變化[14]。因此，判斷金山西北溝剖面1中5個高磁化率深度區間內可能混入火山灰物質，第8層中直接觀察到的黑色粉砂是火山噴發物聚集的結果。在L3的深度區間內，磁化率值出現小的峰值，但Rb/Sr比值沒有出現小峰值，并且在野外觀察到此層位有火山熔巖層的分布，推出L3的堆積時期受到火山活動的影響。金山西北溝剖面1記錄金山火山曾經發生過2期火山活躍期。

金山西北溝剖面2中有3個磁化率值和Rb/Sr比值出現高峰值及一個小高峰值，分別對應野外描述的3層古土壤層和1層在L3中弱發育的古土壤層。3層古土壤的磁化率值進行對比發現，古土壤S1發育時期的磁化率值遠高于其他的古土壤的深度區間；這說明古土壤S1發育時期的層位中混入了一些高磁化率值的物質，剖面的磁化率值曲線不僅僅是對曾經古氣候變化的反應。因此，推斷金山西北溝剖面2中古土壤S1發育時期層位中混入了火山噴發物，記錄了金山火山曾有過1期活躍期。

4.結論

大同盆地中分布著大大小小31座火山，雖然火山活動年代及強度不同，但是活動噴發的巖漿源頭具有一致性，即區域的火山活動是受到同以的地下巖漿源頭控制。在活動年代和強度上，不同的火山應該具有一定程度上的相似性，綜合表現出區域火山活動的階段性。了解清楚金山火山的階段性歷史，對大同火山活動的階段性歷史研究可以提供相關的佐證。

1）黃土沉積層的理化性質在火山活動的影響下會發生異常變化。黃土沉積層中，含有火山灰的古土壤層，其磁化率值和Rb/Sr比值出現遠高于其他古土壤層；混入火山灰的黃土堆積層，其磁化率值出現高磁化率值、低Rb/Sr比值。

2）金山火山錐附近的2個剖面分別反映出2期和1期活躍期。剖面1反映在黃土層L3堆積時期和S5古土壤層發育晚期記錄了2期活躍期；剖面2反映在S1古土壤層發育時期記錄了1期活躍期。綜上，金山火山活動曾經至少經歷過3期活躍期。

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