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内蒙古阿巴嘎火山区

1. 构造背景

达里诺尔火山群位于天山-兴蒙造山带中部,坐落于晚海西期-印支期形成的索伦克尔缝合带上。火山群内零星出露下古生界石英片岩以及石炭系和二叠系砂岩和板岩,区内也分布有属于兴安岭组的侏罗系火山岩。第三系上新统棕红色泥岩有广泛分布,第四系地层以冲积、湖积砂砾为主。全新统的风积砂覆盖了研究区南部大范围区域(浑善达克沙地)。燕山期花岗岩是最主要的侵入岩。锡林浩特断裂与林西断裂在本区穿过。

传统上,锡林浩特南部的火山岩被分为北部的贝力克牧场火山岩区和南部的辉腾梁火山岩区。北部区由数级熔岩台地构成大致南北展布的“平顶山”地貌;南部区则是以大量形态各异的火山锥叠覆于东西向展布的熔岩台地之上。我们在野外勘查中发现北部岩区最南端的熔岩台地与南部岩区最北端在空间上相连,二者在形成时代上互有重叠。在本文中,将北起锡林浩特市,南至达里诺尔湖-辉腾河一线的火山岩区统称为达里诺尔火山岩区,所含火山统称为达里诺尔火山群。

达里诺尔火山群DEM

在卫星解译与野外实地调查的基础上,确认出达里诺尔火山群88座火山锥体,另有约20座疑似火山有待进一步证实。确认的火山中大部分都由渣锥构成,这些渣锥直径一般都不超过1 km,单个火山熔岩流面积大多小于50 km2,属于典型的单成因火山;另有部分火山是由熔岩构成的盾状火山锥,这些火山的熔岩流面积可达80 km2,但由于熔岩流厚度一般小于30m,因此火山产物总体积小于10km3,也属于单成因火山。研究区内单成因火山种类齐全,喷发类型多样,保存状态完好,是我国板内单成因火山的典型代表。

2. 火山喷发方式

火山喷发的基本方式有爆破式喷发(explosive eruption),溢流式喷发(effusive eruption)和侵出(extrusion)三种。在国内其它单成因火山群中,爆破式与溢流式喷发都较为常见,但侵出式喷发相对罕见,抑或是由于特征不明显,不易为人所识,此前鲜有报道。本文在达里诺尔火山群不仅确定出多种类型的爆破式与溢流式喷发,还识别并总结出侵出式火山活动的特征。

爆破式喷发

爆破式喷发泛指以猛烈的爆炸为特点的火山喷发方式。在研究区,大部分爆破式喷发类型属于玄武质岩浆爆发中常见的夏威夷式喷发、斯通博利型喷发与强斯通博利型喷发,在个别火山出现射汽-岩浆爆发。

夏威夷式喷发 (Hawaiian eruption)

特指爆破强度弱(爆发指数<10)的熔岩喷泉喷发。研究区内大量火山锥的顶部堆积着厚层状溅落堆积。以将军岭火山为例,其顶部有近5米厚的熔结的火山集块堆积(图3。熔岩喷泉喷发在火口周围堆积大量塑性与半塑性熔浆和碎屑,这些物质重新熔结在一起,形成熔结集块岩(agglomarate)。部分碎屑堆积在高温塑性-半塑性时发生重力崩塌,发生二次流动,其特点是流动速度慢,整体上具有熔岩流外貌,形成碎屑成因熔岩(clast-genetic lava)。

在剖面(图3,这些碎屑成因熔岩呈层状分布,层间有相互运动而形成的碎屑错动,而层内是熔结在一起的碎屑,颗粒间没有明显的相互运动。由此推测在夏威夷式熔岩喷泉喷发过程中,塑性熔岩团块重新熔结后发生层流(laminar flow)流动。在流体动力学中,当流体以平行层面低速度下流动时,流体趋于顺层流动而不会侧向混合,流体中也没有发生漩涡;在层流中,流体颗粒的运动是非常有序的,颗粒接近于平行于层面的直线移动。重新熔结的熔浆和碎屑形成的混合物具有粘度大的特点,其流动仅受重力影响,因此流速也较低,这些因素促使其发生层流。

斯通博利型喷发 (Strombolian eruption)

在研究区,这种类型喷发所产生的碎屑分布在火口附近,构成火山碎屑锥。以双敖包火山锥体剖面为例(图4,锥体总体堆积较为松散,剖面中常常夹杂熔岩团块或熔岩层,其中碎屑粒度较粗,以15cm红褐色、灰褐色火山渣为主,中间夹杂大量火山弹、熔岩饼,火山灰含量低,局部出现弱熔结现象,略显层理。碎屑锥顶部溅落堆积由褐红色厚层碎屑熔岩构成,其中火山弹、熔岩饼等碎屑重新熔结,在堆积表层出现似熔岩流构造。利用卷尺对双敖包火山碎屑锥剖面的粒度统计(统计样本总量76件)显示,火山碎屑粒径集中在1-5cm,占总数的95%。总体上反映了火山喷发过程中爆破强度较弱。

弹道抛射是斯通博利式喷发中常见的碎屑搬运方式。火山爆破喷发过程中,碎屑物质从火口高速向四周抛射,其初速度角度约在70-90度。碎屑物质受重力与空气阻力影响沿弹道轨迹飞行并堆积于火口周围。随着火山碎屑在火口周围的逐渐堆积,受重力作用沿斜坡发生垮塌。在研究区,发现大量碎屑锥剖面中都出现逆粒序层序结构,以双敖包火山锥为例,它的剖面上显示出是由大量相互不熔结的刚性碎屑颗粒组成,每一层中都出现逆粒序层序结构。在火山喷发过程中,垮塌的碎屑可能是以颗粒流(grain flow)的形式流动。在颗粒流中,颗粒间的介质(空气)仅仅起到润滑的作用,依靠颗粒间的互相碰撞使颗粒保持悬浮。在颗粒流中小的颗粒受重力影响从大的颗粒间隙中落下,因此造成逆粒序层序结构。

强斯通博利型喷发(violence Strombolian eruption

早期的火山学研究常把斯通博利式与强斯通博利式(或称亚布里尼式)混淆在一起。作者先前的研究以阿尔山地区哈拉哈河-绰尔河火山群高山和焰山为例总结出这种不同于典型斯通博利式火山的特殊的喷发类型所产生的碎屑特征。Valentine and Gregg (2008)也对类似的喷发提出相似的认识,认为应把这种喷发做为单成因玄武质火山喷发方式的一个端元类型。这种类型的喷发与斯通博利型喷发的区别在于喷发指数更高,喷发过程中形成持续的喷发柱,火山产物中有空降火山碎屑席,如焰山、高山赵勇伟和樊祺诚,2010达里诺尔火山区内大敖包火山就属于强斯通博利式喷发。由于大敖包喷发时间较为久远,没有发现火山锥周围广泛分布的空降火山碎屑席。因此本文从火山锥体火山渣剖面上碎屑粒度分选来说明其与斯通博利式喷发的区别。在野外利用卷尺对大敖包碎屑剖面的统计表明(统计数据2095)99%的碎屑粒径<1cm91%的碎屑粒径<2mm。这反映了火山喷发时爆破强度大,大部分岩浆物质破碎成为火山灰,以空落的形式堆积在火口周围。

空降堆积见于喷发强度较强的超斯通博利式喷发中,如上文所述大敖包火山,其在喷发过程中有持续的喷发柱,大量碎屑在上升热气流持续作用下升至高空,最终受重力影响降落堆积在火山周围,形成局部粒度分选较好的空降火山渣堆积。

射汽-岩浆喷发 (phreatomagmatic eruption)

射汽-岩浆喷发是岩浆在向地表上升的过程中,遇到浅层的地下水、冰川或潮湿沉积物(含水层)时,水受热转化为蒸汽而引起的爆发,其产物有水蒸气和围岩或岩浆的碎屑,以急流的形式紧贴地面流动,称为基底涌流或基浪(base surge),最终形成涌流凝灰岩(surge tuff)。在依何乌拉火山,存在大量射汽-岩浆喷发的地质证据。伊和乌拉火山顶部为松散的火山砾与火山块构成的火山渣锥,而底部主体由凝灰岩(火山灰加围岩碎屑等基浪堆积物)构成。这些凝灰岩广泛分布在渣锥的四周,其中多为弱胶结的浅灰黄色围岩碎屑,不同比例地夹杂着灰黑色脆性破裂的玄武岩块以及不同程度磨圆的火山砾。凝灰岩中平行层理极发育,层理产状大致平行于山坡。在射汽岩浆喷发过程中,喷发物以基底涌流的形式,贴近地表高速运动,颗粒间互相磨擦造成磨圆。这是颗粒流的一种特殊形式,其中碎屑物与气体混合形成低密度流体,以非常快的速度运动,以圣海伦斯火山为例,其涌浪的速度可高达90-110m/sSchmincke, 2004)。

溢流式喷发

溢流式喷发是指熔岩沿岩浆通道以较平静的方式喷出地表,形成熔岩河,熔岩湖等。大多数爆破式喷发渐近结束之际,都会转变为熔岩从火口溢流喷发。但有的火山喷发从始至终就是平静的溢流式喷发。这是两种不同的岩浆喷发过程,与火山活动的构造控制、岩浆上升通道乃至岩浆成分有关。研究区的熔岩台地,无论形成时代早晚,都没有见到明显的火山碎屑锥,由此推测,它们最主要的形成方式就是溢流式喷发。在贝力克牧场花特敖包,中更新世形成的一级熔岩台地上,结壳熔岩表层构造明显。熔岩在此处形成一个南北走向的小型台地,台地中央部分是宽300米,长约2km的低地。推测岩浆沿裂隙状岩浆通道上涌,在地表形成火山帘,向两侧喷溢岩浆,喷发结束后,由于裂隙式岩浆补给通道冷却收缩,形成这种特殊的裂隙式熔岩溢出火口。由此我们可以推测,溢流式喷发在达里诺尔火山群中普遍存在,早期的熔岩台地可能都是这种喷发的产物。

有的溢流式喷发沿中心式岩浆通道,在地表形成坡度低缓的火山,它们有时也会有少量碎屑组份,但总体上以熔岩流构成,外形特征上与碎屑锥明显不同。这种单成因火山的溢流成因火山在平面外形上为圆形或椭圆形,地貌上形成盾形,称为盾形火山(scutulum type)。在达里诺尔火山群,盾形火山数量只有10余座,但它们熔岩流分布面积通常很大。以阿斯根火山为例,熔岩盾体平面上呈椭圆形,长轴直径达到1200米,火山坡度约为5°,熔岩流分布面积超过80平方公里。

侵出

当岩浆粘度大时,粘性熔岩受到内力挤压,从相对狭小的岩浆通道中挤出,形成侵出成因的岩穹或岩墙。达里诺尔火山群内岩浆侵出现象常见,分为岩墙、岩穹与岩脊。

岩墙

鸽子山火山口保存有平行火山口走向的一系列岩墙,这些岩墙在火山口内呈平行的阶梯状分布,每个岩墙产状近于直立,常曝露出一侧岩墙面,在这些表面上可以见到小型水平柱状节理发育,表面相对光滑,推测在火山喷发最后阶段,半塑性熔岩被挤出火口,刚出地表即冷却成固结。因其等温面平行竖直的岩浆通道,所以形成水平柱状节理。

在伊和乌拉火山中也发育大量侵出岩墙。在凝灰岩构成的火山基底中,断续有侵出岩墙出露,其中的裂理似正花状构造,岩墙中央裂理为竖直方向,向边部过渡为平行边坡产出。岩墙中致密熔岩破裂为棱柱状,在岩墙项部表层以及岩墙与凝灰岩接触面上发育球粒构造,反映出其经历过快速侵出冷动的过程。

岩穹与岩脊

以白音库仑,大黑山等为代表的火山,由一条或数条熔岩脊构成,有时形成数条熔岩脊呈放射状展布。岩穹或熔岩脊的顶部见到自碎角砾岩,以及被同成分胶结形成的角砾熔岩。这种侵出有时发生在爆破式喷发结束后,如白音库伦、大敖包,有时火山本身从开始就以侵出为主。

大黑山是侵出式成因的最典型代表。大黑山总体形态为以主峰为中心,向多个方向呈放射状分布多条山脊。山脊的中心部位为致密熔岩,边缘是呈叠瓦状分布的板状熔岩(图9a,最表层是紫红色熔结的火山渣。这些火山渣粒度分选好,以火山砾为主,其中没有熔浆团块、熔岩饼等焊结介质。在垂直剖面上,这些火山渣呈现从表层向深部熔结程度递增的规律。在熔结火山渣之下是侵出熔岩脊。这些熔岩脊坡度陡峭,大多大于45度,表层是薄层自碎熔岩角砾层,底部是厚层的致密熔岩,这些熔岩当中常含有刚性火山岩碎块,是熔岩尚处塑性时,在侵出过程中卷入表层自碎角砾所致。

这些现象表明,在熔岩侵出时,已经产生一定的屈服强度,表现出宾汉(Bingham) 型塑性流体(非牛顿流体中的一种) 的流变学行为。正是由于这种特性,熔岩侵出时在强大挤压力作用下,像牙膏一样被挤出火口,在距离火口不远的地方,形成边坡陡峭的熔岩山脊。在侵位过程中,山脊中心高温的塑性流体对表层的物质,如表层冷动自碎的岩块和先前空降的火山渣,进行重新熔结并形成大黑山熔岩脊剖面中的各种地质现象。与之作为对比的是,在溢流式喷发中,基性岩浆流体在高于液相线温度条件下粘度相对较小,像水流一样受重力作用向低处流动,此时更接近牛顿流体。

参考文献:

Schmincke, 2004. Volcanism. Springer.

Valentine, G., Gregg, T., 2008. Continental basaltic volcanoes—processes and problems. Journal of Volcanology and Geothermal Research 177, 857-873.

赵勇伟, 樊祺诚, 2010. 大兴安岭焰山、高山火山——一种新的火山喷发型式. 地震地质, 28-37.

赵勇伟, 樊祺诚, 李霓, 王佳龙, 邹颖, 2018. 内蒙古达里诺尔晚新生代火山群喷发特征研究. 岩石学报 34, 103-112.