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黑龙江五大连池火山区

1. 火山分布特征

东北地区新生代火山岩主要沿区域内北北东向或北东向深大断裂及松辽盆地两翼分布。据统计,约有超过590座代表性火山锥和面积约为50000km2的火山岩分布于松辽盆地及其邻区(Fan and Hooper1991Liu et al.2001)。这些火山岩岩性主要为碱性岩、钠质玄武岩、粗面岩及少量大陆型拉斑玄武岩。其中,松辽盆地北缘的二克山-五大连池-科洛-小古里河富钾火山岩带(图1)以其特殊的富钾特性成为学者研究焦点。整个火山岩带长度超过500km,由一系列火山(群)组成,从北向南依次为:小古里河、门鲁河、科洛、北尖山、五大连池、莲花上、南尖山及二克山(Basu et al.1991Zhang et al.1991Zhang et al.1995)。前人的研究焦点主要集中在五大连池、二克山及科洛地区,简称为“二五科”(地理坐标48°00'49°30'N; 125°30'126°45'E)。各火山群的地理位置分布情况如下(图1)。


1 东北富钾火山岩带火山群分布情况

黑龙江五大连池地区位于我国东北松辽裂谷的西北端,存在着一系列从更新世以来喷发而成的火山群,由于受北东和北西向构造活动的影响,这些火山群在地表呈现较有规律的网格状分布(Li et al.2009;图2),五大连池火山群的新生代火山锥为14座,火山喷发活动主要始于中更新世早期,绝大部分的火山锥保存完好,其中老黑山和火烧山的最新喷发事件被史料所记载。莲花山位于五大连池西侧约20km,由一大片熔岩台地及几个低矮小火山渣锥组成,由于几个火山锥以环状形式散落分布,从高空俯视,有如盛开的莲花,故得名莲花山。


2 五大连池火山群分布位置(据吕宗文等,1996修改)

2.构造背景

二克山-五大连池-科洛-小古里河富钾火山岩带位于松辽盆地的北缘,中亚造山带的东缘(中国东北地区),这一造山带北邻西伯利亚板块,南抵华北克拉通。中亚造山带东缘的构造演化在古生代时期主要受控于古亚洲洋闭合事件,自中生代晚期起西太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用进一步影响该区的构造格局,第三纪晚期太平洋板块向西深俯冲引起板内岩石圈伸展,导致该区域内一系列的新生代火山岩浆活动(Zhang et al.1995Zou et al.2003)。松辽盆地呈北北东向展布,长约820km,宽约350km,盆地面积约为2.6×105km2Wang et al.2002Wu et al.2001)。盆地为湖相成因,盆地内沉积地层厚约10km,地层序列涵盖侏罗纪至白垩纪。整个松辽盆地被一系列断裂带及造山带围绕,它的南边为西拉木伦缝合带,北边为蒙古-鄂霍茨克碰撞造山带,东边为佳伊断裂带,西边为嫩江断裂(Wang et al.2002)。盆地构造演化活动自侏罗纪中期至白垩纪后期,可划分为四个主要阶段:裂谷活动、地幔上涌、裂谷后期热下沉以及构造倒置(Feng et al.2010)。

3.喷发历史

在区域地质背景上,富钾火山岩带位于大小兴安岭的交汇处,松嫩裂谷的北缘。区内地层按沉积特征可分为四大发展阶段:前寒武纪早寒武世地块形成发展阶段;中上寒武统缺失,早奥陶至早石炭世为再生地槽发展阶段;中石炭统缺失,晚石炭世至早侏罗世为盖层形成与发展阶段;中–新生代为大陆边缘活动带发展阶段(邱家骧等,1991)。

元古代以来,本区地壳频繁活动,松辽裂谷的拗陷及大小兴安岭的隆起,经历了多次岩浆活动,形成分布广泛的中酸性侵入岩和中基性火山喷出岩。上侏罗世,松辽裂谷开始拗陷,受其影响,逐渐形成一系列北北东向的断陷盆地。白垩纪,松辽裂谷大规模拗陷,位于小兴安岭隆起与松辽裂谷接壤的科洛地区沉积了很厚的湖泊相陆源沉积物。第三纪,本区继续发育有零星薄层堆积(王承祺等,1987;邱家骧等,1991)。

本区在奥陶纪后,新生代前的火山活动主要有两期:二叠纪的中酸性火山活动,英安岩、流纹岩等为主;侏罗纪中基性火山活动,规模大,分布广,厚度大,主要有玄武岩、玄武安山岩、安山岩及玄武粗安岩、碱性玄武岩等(邱家骧等,1991)。

新生代的火山活动奠定了现今火山地貌的基底。前人对于该区新生代火山活动的期次划分有多种版本,如王承祺等(1987)将科洛、五大连池、二克山富钾火山岩带火山活动分为四个大的阶段:五叉沟喷发期;荡子山喷发期;五大连池喷发期;科洛喷发期。樊祺诚等(2001)将该区火山活动划分为晚第三纪和第四纪两个期次,晚第三纪的火山活动主要集中在科洛火山区,岩石类型以白榴碧玄岩为主,第四纪火山活动在二克山、五大连池和科洛皆有分布,岩石类型主要为白榴玄武岩。Zhao et al.2014)将该区火山活动分为上新世到早更新世和中更新世到全新世两期,前者主要受控于NNW向的裂谷作用,而后者主要受控于右旋转换挤压应力作用。总体而言,该区新生代火山活动在更新世最为活跃。

4.岩浆特征

全岩分析结果和火山岩TAS分类图显示(Li et al.2009),五大连池火山岩的岩性相近,全岩SiO2含量变化于47.3 wt.% - 54.2 wt.% 之间,全碱含量(Na2O+K2O)则变化于7.5 wt.% - 9.5 wt.%之间且K2O > Na2OTiO2含量普遍高于2.2 wt. %,其它主量元素化学成分变化范围较小,属碱性岩系。总体上看,以老黑山为代表的五大连池火山岩岩性都在碱玄质响岩、响岩质碱玄岩、玄武粗安岩和粗安岩之间变化,成分非常接近,暗示它们可能是同源岩浆的产物,较老的火山(笔架山、小孤山、龙门山和卧虎山)火山岩中烧失量稍高(>1.65 wt.%)。而且除卧虎山外,其余火山岩的K2O含量均高于4.5 wt.%,具有明显的富钾火山岩特征,还出现了含钾高的特征性矿物白榴石。五大连池火山的全岩成分演化程度均较为相近,只是老黑山火烧山两火山新期喷发物全岩成分比旧期喷发物更为演化一些。相对来说,两座火山新期喷发物的玻璃基质成分最为演化,老黑山和火烧山在1719-1721年喷发时的岩浆是在地下岩浆房经过了一定程度演化的岩浆(Li et al.2009)。

五大连池火山岩属于含钾较高的钾质火山岩,从钾含量来看,全岩的K2O基本上都在4.5 wt.%以上,夏林圻(1990)和樊祺诚等(1999)报道过老黑山和火烧山的全岩K2O最低也有4.33 wt.%。而斑晶矿物中包裹的熔体包裹体的K2O含量代表着岩浆房早期演化的K2O含量,据分析结果约有一半熔体包裹体中K2O含量要低于4 wt.%Li et al.2009),因而全岩K2O含量都明显高于熔体包裹体中的K2O含量,可能在岩浆演化过程中由于橄榄石等矿物的不断晶出,使岩浆中钾含量不断升高,从而使喷发后的火山岩拥有较高的钾(Li et al.2009)。

五大连池各期次火山岩除主量元素非常相近外,其稀土元素球粒陨石标准化分配曲线近于平行,证明该区多期喷溢的火山岩浆同源,SrOAr等同位素研究数据也同样支持这一论断,因而五大连池火山岩可能有一个共同的富钾岩浆源(Li et al.2009)。巩杰生等(1997)研究过五大连池石龙岩的幔源包体,其中含有金云母二辉橄榄岩,因此五大连池火山岩中的钾有可能来源于上地幔岩石中金云母等富钾矿物的分解。

5. 喷发产物

实地踏勘中发现,富钾火山岩带的火山地貌可分为两大类:一类为具有完整的锥体及熔岩台地,属于较新喷发的火山;另一类由于形成年代早及后期人为破坏,多数火山的锥体已经不明显,仅剩下宽缓的盾形台地。就单个火山而言,大部分不是一次喷发形成,而是多期喷发活动的产物,如五大连池一些火山是在熔岩盾之上重新喷发,并形成复锥状火山(樊祺诚等,2001)。火山的喷发形式以弱爆发和熔岩溢流为主。

火山岩的分布往往受到地形地势的控制,如科洛火山群地处断陷盆地之中,其地势的总体特征是从盆地边缘向中心逐渐降低,火山岩新老发育关系也与其相关;火山活动由断陷盆地边缘向盆地中心发展,新期火山的完好锥体主要分布于盆地中间科洛河两岸。不同时期、不同火山的熔岩流在盆地中心低洼处相互叠加,覆盖于早期沉积地层之上,改造河道、破坏原始地形,形成全新的火山地貌景观。

本区火山喷发物可划分为溢流相和爆发相两部分,溢流相产物为大面积分布的熔岩流及熔岩台地,熔岩流厚度不等,介于1.7-20米之间(王承祺等,1987)。爆发相产物主要为火山渣、火山弹、火山砾、熔岩饼及熔结集块岩等。在部分火山的火山渣块及熔岩中可见地幔捕虏体,地幔橄榄岩捕掳体主要赋存于火山碎屑物、熔结集块岩和熔岩中,除少数样品由于后期氧化作用而使得表面变为红褐色,大部分样品较为新鲜,但手标本比较碎裂,形态不规则,一般呈椭球状、次棱角状,与寄主岩边界清晰,大小一般2-5 cm,大者直径可达10 cm。岩石类型主要为尖晶石二辉橄榄岩、二辉橄榄岩、方辉橄榄岩,见少量金云母二辉橄榄岩,在火山碎屑物中见大量橄榄石捕掳晶。此外,该区内还可见花岗岩、麻粒岩、砂岩捕掳体,单斜、斜方辉石巨晶及长石巨晶,以及富钾岩浆中矿物分离结晶堆积成因的橄榄二辉岩、白榴霓霞岩包体(邱家骧等,1991

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