>

吉林长白山火山区

1. 基本概况

长白山火山位于吉林省东部的中朝边境线上,地理坐标为北纬41°20′-42°40′,东经127°00′-129°00′,是我国境内保存最为完整的新生代多成因复合式火山群。其中,天池火山是是长白山山脉的主峰,因其火口内积水形成美丽的火口湖“天池”而得名,最高峰为白头峰(朝鲜命名为将军峰),海拔2749.2m。目前,长白山天池火山已成为我国标志性的旅游景点,每年夏季吸引数百万的中外游客前来参观休闲,且旅游业也成为了当地小镇的支柱产业(图1)。

图1 长白山天池火山的火口湖照片

2. 构造背景

长白山火山群位于欧亚大陆东部的中-朝克拉通的北缘,其演化经历了漫长的地质时代,主要包括32亿年-16.5亿年的基底形成阶段,10亿年-2.3亿年的克拉通与盖层形成阶段,和自2.3亿年以来的区域断陷发育与岩浆活动阶段(金伯禄等,1994;刘若新等,2000)。现今长白山火山群的大规模喷发活动始于渐新世晚期(~29 Ma),形成广泛分布的玄武岩台地,即盖马高原。大约距今5 Ma开始了大型火山锥体的建造,先后形成了胞胎山火山,望天鹅火山和天池火山三个大型的破火山口(图2)。现今所称的长白山火山群主要指5 Ma以来的火山活动建造的一系列火山锥体和熔岩台地(樊祺诚等,2007)。


图2 长白山火山群遥感影像与锥体分布示意图(改自Andreeva et al., 2014)


3. 火山分布与发育

长白山火山区主要由三座大型的破火山口和一系列小的渣锥组成。以下分别介绍相关发育情况。

胞胎山火山位于朝鲜境内,由南北两座组成,分别为南胞胎山和北胞台山,最高峰位于南胞胎山,海拔2343 m。破火山口呈不规则的椭圆形,由于其形成时代早,风化剥蚀强烈,致使火山锥体部分已不明显,但航片上仍可识别出火山锥体的大致轮廓,越近破火山口部分地形越陡,放射状水系将不十分明显的锥体深切割成垄状。喷发岩石为玄武岩-粗面岩-碱性流纹岩系列,符合长白山火山群的演化序列。由于缺少可靠的测年数据,其具体喷发活动时代目前不清楚,但普遍认为胞台山火山是三座火山锥体中最老的一座,可能的活动时代为5-2Ma。

望天鹅火山位于天池火山之南30 km,最高峰海拔2051.4 m,望天鹅火山锥体底部外围是大面积玄武质熔岩,环绕锥体形成盾状熔岩台地,其熔岩流南抵鸭绿江边,东越鸭绿江入朝,北侧被天池火山喷发物所覆盖。望天鹅破火口形成后遭受水流的切割作用,部分已不明显,但整体轮廓清晰呈不规则的椭圆形,长轴呈NNW向,长约20 km左右,短轴长约9 km左右。望天鹅火山与长白山火山群有相似的火山发展阶段与岩浆演化过程(钾质粗面玄武岩-粗安岩-粗面岩-碱性流纹岩),火山活动时代介于上新世一早更新世。造盾钾质粗面玄武岩覆盖在中生代花岗岩之上,早更新世完成了粗面岩和碱性流纹岩的造锥,火山活动也随即结束(樊祺诚等,2007)。

天池火山是三座火山锥体中最年轻的一座火山,其破火山口保存完整且“新鲜”,南北长4.4 km,东西宽3.37 km,周长13.1 km。其锥体形貌保存完整,地貌上造锥的四个阶段层次清晰,同时第四纪冰川地貌清晰可辨。

长白山火山群除三座大的复合式火山锥体外,还发育有众多小的火山锥体,分布于复合式锥体的翼部和平原地区(图2)。其中部分时代较新的火山锥体保存完整,溅落的火山渣成层性分布,主要由红色的火山渣,火山弹组成,部分层位含黑色的熔岩条带,说明了喷发过程由弱爆炸式与溢流式相互交替进行。这些渣锥的成分主要为粗安岩、粗面岩和碱流岩,详细的各锥体成分有待进一步研究。

4. 天池火山喷发历史与岩浆特征

天池火山是我国境内保存最为完整的新生代多成因的复合式火山,锥体的建造是由多次岩浆喷发物叠加而成。其火山作用过程可划分为早期造盾阶段、中期造锥阶段和晚期爆炸式喷发阶段(伊格尼姆阶段)三个阶段,相应的岩浆成分也由造盾阶段的玄武岩类发展到造锥和爆炸式喷发阶段的粗面岩和碱流岩类(刘若新等,1998)。

天池火山的造盾喷发的地质时间范围是上新世末期到早更新世(4.5-1.48 Ma), 岩性以军舰山期、白山期玄武岩为代表,构成了天池火山的盾状熔岩台地,以天池火山为中心向四周缓慢降低,展布面积达7200 km2,其岩性既有碱性系列的粗面玄武岩和玄武质粗面岩,也有拉斑系列的玄武岩和玄武安山岩。这些玄武岩在化学元素方面一个显著特点是K2O含量高,Mg、Ni含量低,这与我国东北和华北的新生代玄武岩形成鲜明对照,表明不论是碱性系列还是拉斑系列岩石,都不是原生地幔玄武岩浆的喷出物,而是来源于在地幔岩浆房中经过结晶分异演化的岩浆(金伯禄等,1994)。

天池火山的造锥喷发活动贯穿于整个更新世(1.4-0.02或0.2Ma),此阶段由粗面质与碱流质的熔岩、碎成熔岩和碎屑岩交替叠加形成层状火山锥。从锥体剖面中可以看出当时有多个喷发韵律,即以爆发相的碎屑岩开始,随后是以厚层的碎成熔岩或熔岩,并且可以见到碱流质岩墙的部分贯入。根据地貌与喷发韵律和岩性,造锥阶段又可划分为四个阶段:

第一阶段为底部粗面质熔岩和碎屑岩,厚度近300 m,在朝鲜一侧锥体下部被称为富轮山组,粗面岩中透长石斑晶可达到20-30%;

第二阶段主要为锥体中部的霓辉石英粗岩夹两层粗面质熔结凝灰岩,厚度约210 m。

第三阶段喷发仍以霓辉石英粗岩为主,但夹有铁橄石粗面岩,下部以熔岩为主,中上部以碎屑岩为主并夹有沉积夹层,最大厚度达500 m。

第四阶段喷发分布于火山锥体上部层位,岩性主要为霓辉石英碱长粗面岩和钠闪碱流岩,部分顶部锥体被爆炸式喷发的伊格尼姆阶段破坏掉。

造锥阶段的岩石富含K2O,但缺少SiO2含量在52%-64%之间的岩石,这表明组成天池火山锥体的粗面岩、碱流岩来源于两个不同的岩浆区,即造盾玄武岩类来源于地幔岩浆库的喷发,而粗面岩和碱流岩很可能来源于地壳岩浆房的岩浆喷出。各阶段喷发的岩石在喷发时间上虽不相同,但在地化特征上是相似的,表明他们具有共同的岩浆成因,同时又具有紧密的演化关系,其中结晶分异起到关键性的作用(樊祺诚等,2007)。

天池火山晚期的爆炸式喷发阶段,又叫作伊格尼姆阶段,共存在3次大的喷发活动(图3),分别简述如下:

1)天文峰期喷发,此次喷发以黄色浮岩为特征,在火口缘,火口东侧和日本海等地具有发现,是天池火山爆炸式喷发活动的开始,也是造成破火山口的喷发事件。岩浆成分主要为SiO2为70-74%的碱流岩,含有少量的斑晶,其中以长石为主。此次喷发的时间通过测试限定为50.6 ka。

2)气象站期喷发,此次是弱爆炸式喷发活动,溅落的浆屑重新熔结流动形成一套碎成熔岩,蛇状分布于锥体北坡,长5.4 km,宽400-800 m。岩浆成分主要为SiO2为74-78%的碱流岩,与后续千年大喷发成分完全一致。喷发时间测定为11.0±0.5 ka。

3)千年大喷发,此次喷发是天池火山最新的一次喷发活动,喷发物广泛分布于天池火山周围,在地表各处很好的出露。此次喷发分为了碱流质与粗面质两个阶段,且两个阶段之间存在了岩浆混合的过程。此次喷发通过高精度的碳同位素树轮校正方法得出喷发时间为946±3 AD。

图3 长白山天池火山爆炸式喷发阶段堆积产物

5. 岩浆起源

长白山火山群的岩浆来源与成因,仍是学术界争论的一个焦点。目前观点主要分为两类:1)西太平洋板块俯冲成因:众多的地球物理资料表明,在距长白山火山群不远的珲春等地有深震发生,说明西太平洋板块俯冲已到达或靠近长白山火山区域;同时地震的层析成像结果显示,我国东北下部600 km处存在一个低速带,可能是西太平洋板块的俯冲残留板片,这一板片在脱水和压力影响下形成一系列的板内火山,不仅包括长白山火山群,还影响到我国东北乃至山西大同一带的火山活动(Zhao et al., 2009,2013; 图4)。2)地幔柱热点成因:这一方面观点主要是由于地球化学方面的证据得不到俯冲的信息,反之认为是地幔柱可能更合理;首先长白山火山的岩浆具有明显的双峰式特点,即分为玄武岩和粗面岩与碱流岩两类,无板块边缘代表性的安山岩;同时,温泉气体地球化学测试结果表明,无板块俯冲所具有的信息,特征更接近于来自上地幔的地幔柱成因。另外,长白山火山群距离西太平洋俯冲带约1300 km,此距离被认为远远超过了俯冲所影响的范围,地幔柱热点理论更适用。以上为目前比较认可的两种观点,各有其合理之处,可靠的论证有待进一步的工作。

图4 长白山火山成因之太平洋板块俯冲脱水作用(Zhao et al., 2009, 2013)

参考文献:

Andreeva OA, Yarmolyuk AVV, Andreeva IA, et al., 2014. The Composition and Sources of Magmas of Changbaishan Tianchi Volcano (China–North Korea). Doklady Earth Sciences, 456: 572–578

樊祺诚,隋建立,王团华等.2007.长白山火山活动历史、岩浆演化与喷发机制探讨.高校地质学报,13(2): 175-190

金伯禄,张希友.1994.长白山天池火山地质研究.长春:东北朝鲜民族教育出版社

刘若新. 2000. 中国的活火山. 北京:地震出版社

Zhao DP, Tian Y, Lei JS, et al. 2009. Seismic image and origin of the Changbai intraplate volcano in East Asia: role of big mantle wedge above the stagnant Pacific slab. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 173: 197-206, doi: 10.1016/j.pepi.2008.11.009

Zhao DP and Tian Y. 2013. Changbai intraplate volcanism and deep earthquake in East Asia: a possible link? Geophysical Journal International, 195: 706-724, 10.1093/gji/ggt289