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黑龙江镜泊湖火山区

1. 基本概况

镜泊湖全新世火山区位于我国东北黑龙江吉林两省交界处,张广才岭主脊的东侧海拔一千米的深山中,距离牡丹江市约90公里。火山喷发形成的熔岩流阻塞了牡丹江,形成了我国最大的火山堰塞湖镜泊湖。作为国家5A级旅游景区,镜泊湖以其独特的火山地质遗迹、水体景观、峡谷湿地等自然地质景观,以及渤海国遗址等人文景观,在2006年被联合国教科文组织批准称为世界地质公园。


1. 东北地区活动火山分布图(Liu et al., 2001; 汤吉等, 2006

2. 火山地质背景

镜泊湖全新世火山区(简称镜泊湖火山区)构造位置上位于敦密断裂带西侧,坐落于天池火山区的东北方向(图1)。区内火山活动频繁,从早始新世到全新世均有活动,其中全新世火山口集中在宁安县小北湖林场的火山口森林和蛤蟆塘两个区域。区内共发现13个火山口,均为复式火山机构(图2)。其中火山口森林地区由四个复式火山机构组成,整体以熔岩流为主,流经约60km,阻塞牡丹江形成小北湖和镜泊湖等堰塞湖(图2)。熔岩流动形成大量熔岩隧道,随到总长度超过10 km,单个最长接近2 km,既有单层亦有双层隧道,著名的旅游景观洞天一品即为3号和4号火山口之间的一个熔岩隧道。

1)、火山口森林复式火山机构

包括1-4号四个火山口,呈北东向排列。其中1号火山口是镜泊湖地区最大的一个火山口。该火山口呈不规则的圆形,直径约为400-470m,深度约为130m,溢流口向东,周围有环形断裂台阶。火山口内以熔岩为主,中间夹少量火山弹、饼、渣层;

2号火山口呈圆筒状,直径70m,深度50m,属于寄生火山口,无溢流口。主要为火山弹、饼、渣层;

3号火山口呈不规则的椭圆形,直径约为250-300m。下部主要为火山弹、饼层,上部以熔岩为主;

4号火山口与3号相邻,火山口呈长椭圆形,南北直径约为500m,东西约为350m,溢流口向南。内部有三个内火山口,北部的一个内火山口主要产物为薄层熔岩,南部的两个内火山口主要产物为火山渣。

2)大干泡复式火山机构

大干泡复式火山机构为5号火山口,位于大干泡沟谷南侧,呈圆形直径约为250 m,主要由火山弹、饼、渣层,夹厚层熔岩组成。溢流口朝向北东方向。距离5号火山口东北500 M处还发育一个火山口(5-1号火山口),溢流口朝向西北,椎体东侧和东北侧有四个小的寄生火山口。

3)五道沟复式火山机构

五道沟复式火山机构由6-8号三个火山口组成,沿五道沟河谷东侧展布。其中6号火山口呈南北向椭圆形,长轴约480 m,短轴约 230 m,有三个溢流口分布于椎体西侧。总体由火山弹、饼、渣层和熔岩互层组成;

7号火山口南北长约250 ,东西约150,一个溢流口位于其西侧。主要由火山弹、饼、渣层和薄层熔岩组成;

8号火山口南北长约200 m,东西约60 m,西北侧有一个溢流口,底部主要为火山弹、饼、渣层,上部由薄层熔岩组成。

4)迷魂阵复式火山机构

迷魂阵复式火山机构由9-10号火山口组成,位于火山口森林复式火山机构西侧。9号火山口为近圆形,直径约为25 m,未发现溢流口,主要由火山弹、饼、渣层组成;

10号火山口呈椭圆形,长约200 m,宽约170 m,溢流口在火山口的西北方向。主要由火山弹、饼、渣层组成,顶部有少量熔岩薄层。

2,镜泊湖全新世火山岩分布图(樊褀诚等, 2005

5)蛤蟆塘复式火山机构

蛤蟆塘复式火山机构由11号和12号火山口组成,位于火山口森林北东约15 km处。11号火山口呈直径约为500 m的圆形,溢流口朝北西向,底部由火山弹、饼、渣层组成,中上部为薄层熔岩夹火山弹、饼、渣层;

12号火山口是11号火山口的寄生火山口,位于后者的西南1 km处,直径约为30 m。溢流口在西侧,喷发产物与11号火山口一致,其熔岩流在南东1 km处与11号火山口北西溢流口的熔岩流汇合。

3. 岩石学特征

镜泊湖全新世火山岩主要由火山碎屑岩、熔岩和火山碎屑沉积岩组成。火山碎屑岩根据形态可分为火山弹、岩饼、火山渣、浮岩、火山砾和火山沙,主要分布在火山口附近,随火山口距离增加而减少。熔岩分布在火山口和熔岩流中,分为三种类型:厚层致密块状熔岩、气孔状熔岩、薄层多气孔装熔岩。熔岩流中多为结壳熔岩,局部出现翻花状构造。火山沉积岩主要为半胶结的砂砾岩,主要分布在火山口森林地区的2号、3号和5号南侧公路边的火山渣采场和蛤蟆塘地区的火山渣采场,其中含有大量碳化木,可用于14C定年。

岩相学研究表明火山口森林地区和蛤蟆塘地区的玄武质火山岩在岩石学组成上存在很大的差异。蛤蟆塘地区的玄武质岩石中存在钛角闪石、金云母、歪长石巨晶和白榴石斑晶,以及很少的橄榄石,而火山口森林地区的玄武质岩石中则不存在这些巨晶和斑晶,却含有大量的橄榄石。这两个地区的地幔捕掳体成分也有很大区别,火山口森林地区的捕掳体由尖晶石二辉橄榄岩、二辉橄榄岩和纯橄岩组成,蛤蟆塘地区的捕掳体则为金云母/角闪石二辉橄榄岩、二辉橄榄岩、方辉橄榄岩和纯橄岩。

1. 镜泊湖全新世火山活动期次(刘若新等, 2000

4. 年代学研究

基于野外沉积夹层特征,刘若新 (2000)和张招崇等 (2000)将镜泊湖全新世火山活动分为三个活动期次,其活动顺序见表1

前人研究通过 14C定年手段对火山渣中的碳化木进行了年龄测定(表2)。张招崇等 (2000a)认为镜泊湖地区第一和第二活动期次的时代分别为3490-3430 a AD2470 a AD,间隔约一千年,因此推测第三期活动时代大约为1000-2000 a AD。而樊祺诚等 (2003)对大干泡5号火山口的碳化木的重新进行14C定年,认为其记录的火山活动时代为5140-5315 a BP,由此推断镜泊湖地区的火山活动集中在约5200-5500 a BP这三百年之内。陈洪洲等(2005)也认为大干泡和蛤蟆塘地区原本被认作火山碎屑岩的部分实际上是基浪堆积的产物,进一步证明了镜泊湖火山活动没有明显的沉积间断

2 镜泊湖全新世火山碳化木14C年龄(参考文献见备注)


5. 地球化学和Sr-Nd-Pb同位素研究

张招崇等 (2000b)给出的地球化学数据结果显示,镜泊湖火山口森林地区的碱性橄榄玄武岩具有较高的MgO7.74-10.28%)、CaO7.64-8.73%)含量,较低的Al2O314.41-15.86%)、Na2O3.82-5.32%)和K2O2.01-3.59%)含量;而蛤蟆塘地区的白榴石碱玄岩的MgOCaO含量相对前者较低,分别为4.20-4.59%5.26-5.85%,却具有较高的Al2O316.73-17.19%)、Na2O5.72-6.36%)和K2O4.08-4.92%)含量。樊褀诚等(2005)的研究表明火山口森林地区的1号火山口及其流经60 km至镜泊湖的熔岩流和2-10号火山口的玄武质岩石明显不同。在TAS图解上,前者均为粗面玄武岩,而后者却落在碧玄岩的范围内(图3)。

3. 镜泊湖全新世火山岩TAS分类图(樊褀诚等, 2005

研究区玄武岩样品的稀土元素特征(张招崇等, 2000b, 2001,4a)显示,蛤蟆塘地区的TREE = 245.05-252.68 ppmLa/YbN = 45.27-50.44,具有右倾的稀土配分模式,没有明显的Eu异常;火山口森林地区的TREE 值相对较低,为 133.08-252.68 ppmLa/YbN = 18.33-41.93,同样具有右倾的稀土配分模式,但是轻稀土富集程度较低,而重稀土含量更高。微量元素特征表明两个地区玄武质岩石均富集大离子亲石元素LILE,但是火山口森林地区样品的LILE富集程度不如蛤蟆塘地区(图4b)。


4. 镜泊湖地区代表性玄武岩样品的稀土配分模式(a)和微量元素蛛网图(b)(张招崇等, 2001

张招崇等 (1999)对镜泊湖全新世玄武岩各代表性样品进行了系统的Sr-Nd-Pb同位素测试,结果显示不同类型的玄武质岩石样品具有相似的同位素特征,均具有低SrPb和较高的Nd同位素比值,其87Sr/86Sr = 0.70396-0.704537143Nd/144Nd = 0.512656-0.512786206Pb/204Pb = 17.0856-17.5034207Pb/204Pb = 15.2689-15.3461208Pb/204Pb = 37.0999-37.4363。结合相关同位素图解可以看出,镜泊湖地区的玄武质岩浆源区是DMMEM二元混合的结果(图5

5. 镜泊湖地区代表性玄武岩样品的Sr-Nd图解(a)、Sr-Pb图解(b)、Nd-Pb图解(c)和Pb-Pb图解(d)(张招崇等, 1999

6. 岩石成因讨论

虽然镜泊湖火山口森林地区和镜泊湖地区的玄武质岩石的岩石学特征和包体类型具有明显区别,前者以碱性橄榄玄武岩为主,而后者主体为白榴石碱玄岩,但是Sr-Nd-Pb同位素研究结果表明二者的同位素特征十分相似,均表现为DMMEM二元混合的结果,因此这些玄武质岩浆可能具有相似的岩浆源区。它们在矿物组合上具有明显不同,因此排除了它们是分离结晶产物的可能性。两个地区的样品均具有富集轻稀土和大离子亲石元素的特征,暗示了它们的地幔源区在熔融过程之前可能经历了交代作用,其矿物组成和地球化学特征的区别可能是岩浆源区交代作用程度不同的结果。蛤蟆塘地区玄武岩样品中特有的白榴石、金云母等富钾矿物,表明岩浆来自钾质熔体/溶液强烈交代的地幔源区,相对的火山口森林地区的玄武质岩浆则来自钾质交代程度较低的地幔源区。

7. 构造动力学过程

岩石成因研究结果表明镜泊湖全新世火山岩来自不同程度钾质交代的地幔源区,又都具有DMMEM二元混合的同位素特征。张招崇等(1999, 2000a,b, 2001)认为其中的EM成分可能来自下拆沉的下地壳物质,这些全新世岩浆是地幔柱作用下,地幔岩石被下地壳富钾物质不同程度交代后熔融的产物。然而樊褀诚等(2005)指出,镜泊湖地区火山口森林地区和蛤蟆塘地区相距小于15 km,却表现出高度的地幔化学非均一性和岩浆多样性,不会是大规模地幔柱作用的产物。因此镜泊湖全新世玄武质岩浆可能是受控于俯冲板片脱水形成的富钾流体对地幔岩石不同程度交代后部分熔融的过程。

参考文献

Liu, J., Han, J., Fyfe, W.S., 2001. Cenozoic episodic volcanism and continental rifting in northeast China and possible link to Japan Sea development as revealed from K–Ar geochronology. Tectonophysics 339, 385-401.

陈洪洲, 马宝君, 高峰, 2005. 镜泊湖全新世火山喷发特征. 中国地震. 21, 360-368.

樊祺诚, 孙谦, 李霓, 尹金辉, 陈洪洲, 高峰, 张锡杰, 2003. 镜泊湖全新世火山空降碎屑剖面和喷发历史. 地震地质. 25, 3-11.

樊祺诚, 孙谦, 李霓, 王团华, 2005. 镜泊湖全新世火山岩——岩浆的多样性. 自然科学进展. 15, 943-950.

汤吉, 赵国泽, 王继军, 詹艳, 邓前辉, 陈小斌, 2006. 基于地下电性结构探讨中国东北活动火山形成机制. 岩石学报. 22, 1503-1510.

刘若新等, 2000. 中国的活火山. 地震出版社. 1-114.

张招崇, 李兆鼐, 李树才, 辛影, 李兆木, 王先政, 尹金辉, 2000. 黑龙江镜泊湖地区全新世火山岩 14C 测年及其源区特点探讨. 地质学报. 74, 279-286.

张招崇, 李兆鼐, 李树才, 辛影, 李兆木, 王先政, 1999. 黑龙江镜泊湖地区第四纪玄武岩的 Sr, Nd, Pb 同位素组成及其地幔源区特征. 地质评论. 45, 349-357.

张招崇, 李兆鼐, 李树才, 辛影, 李兆木, 王先政, 2001. 黑龙江镜泊湖地区特殊类型白榴石碱玄岩的发现及其意义.地质科学. 36, 23-35.

张招崇, 李兆鼐, 李树才, 辛影, 李兆木, 王先政, 2000. 黑龙江镜泊湖地区全新世玄武岩的地球化学特征及其深部过程探讨. 岩石学报. 16, 327-336.