锡林浩特-阿巴嘎火山群内的玛珥式火山

王锡娇 白志达* 谭 琳 吴之理 王 妍

1)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083

2)内蒙古国土资源厅，呼和浩特 010011

锡林浩特-阿巴嘎火山群内的玛珥式火山

王锡娇1)白志达1)*谭 琳2)吴之理2)王 妍1)

1)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083

2)内蒙古国土资源厅，呼和浩特 010011

锡林浩特-阿巴嘎火山群位于内蒙古自治区锡林郭勒盟，处于大兴安岭-大同新生代火山喷发带中段。火山群内发育300余座不同类型的第四纪玄武质火山，其中玛珥式火山属首次发现，以阿巴嘎旗东南部的浩特乌拉、西北部的车勒乌拉和额斯格乌拉玛珥式火山最具代表性，其火山规模较大，锥体直径一般为3～4km，大者约6.5km。火山结构较完整，具有相似的双轮山地貌景观和明显的阶段性喷发过程，喷发阶段早期为强烈的射汽-岩浆爆发，晚期均转变为弱岩浆爆发，最后为玄武质熔岩流的溢出。这种喷发序列反映了岩浆与水相互作用以及岩浆上升速度和溢出率变化的过程。火山喷发形成的基浪堆积物覆盖在中更新统河谷砂砾石之上，其中近火口溅落堆积物中上新世砂泥岩“包体”的热释光年龄为(0.112±0.009 6)Ma，表明玛珥式火山喷发时代属晚更新世早期。

射汽-岩浆爆发 基浪堆积 玛珥式火山 锡林浩特-阿巴嘎火山群

0 引言

锡林浩特-阿巴嘎火山群位于内蒙古自治区锡林郭勒盟，地处内蒙古高原中部。该火山群面积约9 000km2，分布着300余座大小不一、类型多样的第四纪玄武质火山。20世纪70年代进行的1/20万区域地质调查，确定了火山群的范围和主要火山的位置①内蒙古自治区地质调查院，1975，内蒙古1/20万区域地质调查报告。，厘定了喷发时代为晚更新世，岩石单位统称为阿巴嘎玄武岩。内蒙古地质志(内蒙古自治区地质矿产局，1991)和1/25万区域地质修测②内蒙古自治区地质调查院，2006，内蒙古1/25万区调修测项目报告。，基本沿用了1/20万区调的成果，仍统归为上更新统阿巴嘎玄武岩。除系统的区域地质调查外，有许多学者对锡林浩特-阿巴嘎火山群进行过较为系统的研究(杨建军，1988;罗修泉等，1990;张臣等，2004，2006;刘俊杰等，2008;陈生生等，2011)，尤其在岩石学和岩石地球化学方面取得了许多进展，大幅度提高了火山群的研究程度，但对玛珥式火山的研究尚属空白。

玛珥式火山又称低平火山，以德国西部Eifel地区“maar”湖为代表，故称玛珥式火山(孙谦等，2007)。该类型火山是由炽热的岩浆在上升过程中与水相互作用而发生的射汽-岩浆爆炸，产生含有大量水蒸气和火山灰、火山砂砾等碎屑物的火山基浪，紧贴地面以湍流的形式自火口向外流动，流动过程中随着能量的衰减，基浪中碎屑物发生堆积所形成的。堆积物中以发育大型低角度交错层理和平行层理为特征，由于这些类似沉积岩的层理构造，以往研究常误认是沉积岩。射汽-岩浆爆发是火山爆发的一种特殊方式。锡林浩特-阿巴嘎火山群内射汽-岩浆爆发堆积物的发现，对研究火山群的火山作用方式、火山喷发过程以及火山盆地的演化历史和第四纪环境演化具有重要的意义，也是一类重要的火山地质遗迹资源。

1 玛珥式火山时空分布

锡林浩特-阿巴嘎火山群处于内蒙古华力西褶皱带中段。出露的地层主要为下古生界温都尔庙群石英岩、片岩，上泥盆统和中下二叠统火山-沉积岩建造，上新统宝格达乌拉组红色砂泥岩。其中，第四纪地层广泛分布，主要为玄武岩和湖沼沉积、风积物。侵入岩主要为华力西期花岗岩类。火山群构造上处于新生代大同-大兴安岭火山活动带中段。火山活动具有多期次、多旋回的特征。喷发时代由老至新可分为上新世、中更新世、晚更新世早期、晚更新世晚期和全新世5期①白志达等，2008，内蒙古自治区锡林浩特第四纪火山群火山地质研究。。不同时代的火山在地貌上有明显的差异，时代越新的火山地貌保存得越好，锥体风化降解程度就越小。玛珥式火山地貌形态保存尚好，锥体风化降解程度相似，均遭受较轻的剥蚀，反映其喷发时代相对较新。基浪堆积物主体覆盖在上新世紫红色湖相砂泥岩之上，在车勒乌拉东南侧覆盖在中更新统灰白色河谷砂砾石之上，其上又被晚更新世晚期的玄武岩覆盖。在车勒乌拉基浪堆积物和晚期近火口溅落堆积物中含有较多上新世砂泥岩“包体”(图1)，有些还成为火山弹的核心(图2)。砂泥岩“包体”受烘烤变质较强，其热释光年龄为(0.112±0.009 6)Ma(中国地震局地壳应力研究所测试)。火山地貌特征、地层与火山堆积物的叠置特征及热释光年龄表明，玛珥式火山喷发时代属晚更新世早期。

图1 基浪堆积物中的粉砂岩Fig.1 Siltstone in the base-surge deposits.

图2 火山弹中的粉砂岩Fig.2 Siltstone in the volcanic bomb.

玛珥式火山主要分布在阿巴嘎地区(图3)，初步确定形态完整的有6座，阿巴嘎旗别力古台镇东南部3座，以浩特乌拉最具特征，西北部3座，以车勒乌拉和额斯格乌拉火山为代表。其分布相对零散，但车勒乌拉和额斯格乌拉总体呈近SN向镶嵌状展布。单个火山平面上多呈近等轴状，结构较完整，地貌特征清晰，局部被晚更新世玄武岩覆盖。锡林浩特地区在灰腾梁以北存在玛珥式火山，由于受晚更新世晚期火山喷发的破坏以及玄武岩的覆盖，形态多不完整，大部分地段仅见到射汽-岩浆爆发的零星基浪堆积物。

2 火山地质特征

图3 阿巴嘎玛珥火山分布示意图Fig.3 Distribution map of maars in Abaga area.

锡林浩特-阿巴嘎火山群内的玛珥式火山多为复合火山作用的产物，早期表现为射汽-岩浆爆发(Crowe et al.，1973)，晚期转变为岩浆爆发和溢流。在地貌上形成典型的双轮山，外轮山为基浪堆积物组成的低平火山锥，内轮山由降落与溅落堆积的火山碎屑物构成，平面上呈近圆形双环状。外轮山玛珥式火山锥体直径一般为3～4km，大者约6.5km，规模之大国内罕见。火口直径多为2～4km，火口深一般20～50m。现在火口内基本无水，部分火口在雨季可见零星小湖沼，据火口内沉积物推断玛珥火口曾经积水成湖。内轮山为降落、溅落火山锥，直径为800～1 100m，锥体高度60～80m，火口直径300～500m，深度30～60m。总体上表现为在玛珥火口内镶嵌着岩浆爆发堆积的降落-溅落锥，而且常发育多个喷火口。基浪堆积的火山碎屑物由玄武质火山渣和基底围岩碎屑组成，碎屑物有一定磨圆，多为近等轴状，呈松散或半固结状产出。碎屑物粒径一般为3～6cm，大者约20cm，横向上随与火口距离的增加总体粒度变小。堆积物中发育大型低角度交错层理、平行层理和层理下陷等构造特征。锥体外围中远端多见典型的增生火山砾(图4)。增生火山砾呈圆球状，大小均匀，粒径一般为4～6mm，含量40%～60%。降落、溅落堆积物为玄武质火山渣和熔结集块岩，晚期的碱性橄榄玄武岩覆盖于基浪堆积物之上，部分熔岩流注入玛珥火口内，形成火口熔岩湖。

锡林浩特-阿巴嘎火山群内的玛珥式火山具有相似的地貌与结构特征，其中浩特乌拉火山最具代表性。浩特乌拉玛珥式火山位于阿巴嘎旗别力古台镇东南约20km处。火山形貌保存尚好，结构完整，地貌上表现为清晰的双轮山景观(图5)。火山由基浪堆积、降落、溅落堆积火山碎屑物和玄武质熔岩流组成(图6)。平面形态近圆形，锥体直径约4.5km。外轮山为玛珥式火山锥(图6，7)，由射汽-岩浆爆发的基浪堆积物构成，比高约60m，东南隅最高，西北缘由于被晚更新世巴德乌拉火山的熔岩流覆盖，相对低缓。玛珥火口长轴直径约2km，短轴直径约1.8km，深约35m。锥体外坡角为15°～25°，火口内壁坡角10°～15°。基浪堆积火山碎屑物为灰白色-褐黄色，多呈次棱角状，部分呈棱角状和次圆状，成岩性较差，多为松散-半固结状。粒度变化大，凝灰级至砾级均有发育，但以砂、砾级为主。横向上自锥沿向外粒度逐渐减小，纵向上呈薄韵律性反复变化。成分主要为火山渣、火山砾和基底花岗质及泥砂质围岩碎屑，含量变化很大，部分薄层几乎全由凝灰级围岩碎屑组成，成岩相对较好，是射汽爆发的产物，个别层几乎全由岩浆爆发的玄武质火山渣组成。这种爆发方式的快速反复变化，反映了岩浆与水相互作用的过程。射汽爆发岩浆尚未直接与水接触，是岩浆的传导热使水体汽化的结果，因此爆炸的深度较浅。

图4 增生火山砾Fig.4 Accretionary lapilli.

图5 浩特乌拉火山航片图Fig.5 Aerial photo of Haotewula volcano.

图6 浩特乌拉火山锥体结构地质图Fig.6 Geological map of structure of Haotewula cone.

图7 浩特乌拉火山剖面图Fig.7 Cross section of Haotewula volcano.

射汽-岩浆爆发是岩浆与水接触后相互作用的结果。岩浆爆发时水基本未参与爆炸过程，其主要受控于岩浆中的挥发份及岩浆上升速度等因素，且爆炸深度较大。基浪堆积物中层理构造异常发育，主要有正、逆递变层理、大型低角度交错层理和面状平行层理(图8 a，b)，在锥体外坡，常见丘状层理及层理下陷等构造(图8 c，d)。堆积物厚度变化很大，在锥沿上最厚，锥体外迅速减薄。基浪堆积物顶部还发育厚约1.2m的褐红、灰黑色降落火山渣，其中含较多橄榄石晶屑，反映了喷发后期已转为岩浆爆发。内轮山由晚期岩浆喷发堆积的2个降落-溅落锥构成，南侧锥体相对形成较早，锥体不完整;北侧锥体相对较晚，形态较完整，规模稍大，叠覆在南侧锥北缘之上(图6，7)。两期锥体的叠覆关系表明其间存在一个相对较长的喷发间歇，早期锥体形成之后，火山通道上部已凝固形成熔岩栓，晚期活动沿早期火口北侧的环状断裂喷发(Nobuo et al.，2008)。锥体堆积序列下部为少量降落火山渣，上部主要为溅落堆积的熔结集块岩，熔结集块岩由塑性变形的熔岩碎块、熔岩饼和火山弹组成，呈褐色、灰黑色，熔结结构，含二辉橄榄岩包体。溅落堆积后溢出少量碱性玄武岩，主要充填在玛珥火口内，少量在NE和W侧冲破或漫过玛珥火口沿形成短小的熔岩流(图6)。碱性玄武岩呈暗绿色，含较多的橄榄石捕掳晶和二辉橄榄岩包体，岩石中气孔含量少或呈块状构造，表明火山喷发晚期岩浆中挥发份已很少。内、外轮山之间为宽500～600m的凹槽(图5)，属玛珥火口，充填了玄武岩和少量湖相沉积物。内轮山的几何中心为晚期岩浆爆发的火口。

图8 基浪堆积物中发育的层理构造Fig.8 Bedding structure developed in base-surge deposits.

阿巴嘎西北部的额斯格乌拉和车勒乌拉玛珥式火山，呈南北相邻排列，地貌景观和结构特征与浩特乌拉火山相似，但规模更大。如额斯格乌拉火山，位于阿巴嘎别力古台镇西北约50km，地理坐标44°13'10″N，114°20'13″E。平面形态近等轴状，直径近 7km(图9)，是该区规模最大的玛珥式火山。锥体相对低缓，比高约60m。地貌上呈不对称双环构造，总体构成玛珥火口内有套叠溅落锥的复合火山结构。外环山为玛珥式火口沿，由基浪堆积火山碎屑物构成，发育平行层理和大型低角度交错层理，纵向上显示频繁的韵律层堆积，记录了射汽-岩浆高频率爆发的过程(Gerardo et al.，2007)。内环小，并偏向东侧，主要由溅落堆积物组成，构成套叠于玛珥火口内的溅落锥。锥体由4个喷火口溅落的火山碎屑物复合而成，岩性为熔结集块岩。中心2个喷火口清晰，南侧火口深度约65m，火口内雨季有积水。内外环之间宽阔平缓的凹陷槽为玛珥火口，火口内有熔岩充填，其上被湖沼积淤泥覆盖。火口曾一度积水成湖，后期由于蒸发干枯，在丰水期仍有2个积水洼地。

图9 额斯格乌拉火山地质平面图Fig.9 Planar geological map of Esigewula volcano.

额斯格乌拉火山是由强烈的射汽-岩浆爆发形成火山碎屑基浪，基浪运移堆积后构成玛珥火山锥;随着火山通道完全打开，火山喷发转为岩浆溢流，部分熔岩滞留在玛珥火口内，形成火口熔岩湖。溢流作用后，喷发曾一度停息，之后火山活动表现为微弱的间歇性溅落喷发，小喷火口之上侵出穹丘的出现，标志着火山喷发的结束。

3 喷发机制与喷发过程

锡林浩特-阿巴嘎火山群中玛珥式火山具有相似的活动方式和喷发过程，总体可分为早晚2期，早期以射汽-岩浆爆发为主，形成典型的玛珥火山。晚期转为岩浆爆发与溢流，形成套叠于玛珥火口内的降落-溅落锥。射汽-岩浆爆发是岩浆与水相互作用的结果，其控制因素主要是水的质量(或含水沉积物)与岩浆溢出率(Daniel et al.，1995)。在通常情况下水(或含水沉积物)与上涌岩浆质量比RS是最重要的控制因素，当二者的质量比0.1＜RS＜1.0时，就会发生射汽-岩浆爆发(Wohletz，2002;孙谦等，2003，2005)。当炽热的岩浆上升至近地表与地下水(或含水沉积物)相遇时，一方面水使岩浆冷却淬火，另一方面岩浆又要把水加热汽化，形成大量蒸汽，使内压增大，结果导致射汽-岩浆爆发(孙谦等，2003)。爆发后产生含大量火山碎屑物和气体的基浪，自火口向外快速流动。随着流动速度的衰减，基浪中火山碎屑物堆积，构成低平火山。锡林浩特-阿巴嘎火山群处于内蒙古华力西褶皱带。基底岩性主要为温都尔庙群石英岩、片岩和华力西期侵入岩，局部为二叠纪火山-沉积岩建造，这些岩石含水性差。新生代盖层主要为厚约30m的上新统宝格达乌拉组红色砂泥岩，在宝格达乌拉组砂泥岩和基底岩石之间浅层地下水较丰富。另外，锡林浩特-阿巴嘎火山群自上新世到早更新世一直为湖盆环境，现在孤立分布的一系列小湖盆是大湖萎缩分裂残留的产物。玛珥火山分布区晚更新世早期的残留湖盆是浅层地下水的重要来源，这为射汽-岩浆爆发提供了必要的条件。当炽热岩浆上升与基底和盖层之间的浅层地下水相遇时，岩浆与水相互作用，发生剧烈爆炸，形成紧贴地面的大规模基浪。由于爆炸的深度很浅(这从基浪堆积物中含有较多宝格达乌拉组红色砂泥岩碎屑和基底围岩成分得以佐证)，又有足够的水供给，因此爆发强度大，持续时间长，异常发育的平行层理又反映了基浪的流速很快，周围地形平缓，有利于基浪的快速扩展，故形成规模巨大的玛珥式火山。

火山喷发晚期阶段随着水的逐渐耗尽和岩浆溢出率的提高，抑制了岩浆与水相互作用的进行，导致射汽-岩浆爆发作用结束，火山喷发方式逐渐转变为多期次的斯通博利式或夏威夷式喷发，在玛珥火口中心形成多个降落-溅落锥。如浩特乌拉玛珥火口中发育2个套叠状降落-溅落锥，在南部降落-溅落锥形成之后出现过短暂的停息，火山通道上部已固结栓塞，之后活动在南火口北侧形成新的喷火口，喷发堆积构成北侧降落-溅落锥。不同降落-溅落锥的叠覆特征表明，浩特乌拉火山晚期阶段岩浆爆发过程中存在韵律性间歇。溅落堆积后，因火山通道打开，压力减小，岩浆中挥发份趋少，不足以使岩浆碎屑化，火山活动转变为熔浆溢出，但岩浆的溢出率均很低，溢出的熔岩很少，一部分注入玛珥火山口内，形成火口熔岩湖，少量漫出玛珥火口，形成短小的熔岩流。末期喷火口侵出穹丘的出现，最终堵塞了火山通道，标志着火山活动的结束。火山活动从射汽-岩浆爆发、岩浆爆发到熔岩的溢出、侵出，火山喷发强度逐渐减小，反映了岩浆与水相互作用的过程，因此水含量和岩浆溢出率是控制火山喷发方式的主要因素。

4 结论

(1)锡林浩特-阿巴嘎火山群内玛珥式火山发育，保存相对完好的6座主要分布在阿巴嘎地区，而锡林浩特地区仅零星分布。玛珥式火山类型的确定，对研究锡林浩特-阿巴嘎火山群火山爆发机制及火山活动演化历史有重要意义。

(2)该区玛珥式火山结构特征相似。地貌上多表现为特征的双轮山，不同地貌单元由不同喷发阶段和不同喷发方式的堆积物组成，外轮山是早期阶段射汽-岩浆爆发堆积形成的玛珥式火山锥，内轮山为晚期岩浆爆发堆积产生的降落-溅落锥。

(3)该区玛珥式火山规模大，爆炸的深度浅，具有相似的喷发过程。早期为强烈的射汽-岩浆爆发，晚期转变为弱的岩浆爆发和熔岩流的溢出，水含量与岩浆溢出率是控制喷发方式的主要因素。火山喷发时代为晚更新世早期。

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MAARS IN XILINHOT-ABAGA VOLCANIC CLUSTER

WANG Xi-jiao1)BAI Zhi-da1)TAN Lin2)WU Zhi-li2)WANG Yan1)

1)School of the Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China
2)Department of Land and Resources of Inner Mongolia Autonomous Region，Huhhot010011，China

Xilinhot-Abaga volcanic cluster is located in Xilin Gol League of Inner Mongolia Autonomous Region，and it is in the centre of Daxinganling-Datong volcanic eruption belt.There are more than 300 Quaternary basaltic volcanoes of different types.Maars are found for the first time there，with Haotewula in the southeast of Abagaqi，Chelewula and Esigewula in the northwest of Abagaqi being the most representative.They all have large scale，and the diameter of cone is generally 3 ～4km，the largest is up to 6.5km.They have relatively intact structure，similar two-ringed mountain landscape and obvious phreasic eruption which contains strong phreatomagmatic eruption at the earlier stage，later weak magmatic eruption and at last basaltic lava overflowing phase.This eruption sequence reflects the interaction between magma and groundwater，the change in intrusive speed and the flow-out rate of magma.The sand and gravel of Middle Pleistocene depositing in the valley are covered by basal surge deposits.The TL age of sandstone-shale inclusion which was found in the spattering deposits close to crater is(0.112±0.0096)Ma，which indicates that the eruption times of the maars are early Late Pleistocene.

phreatomagmatic eruption ，base-surge deposits，maar，Xilinhot-Abaga volcanic cluster

P317.3

A

0253-4967(2012)03-0440-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.03.005

2011-04-23收稿，2012-06-30改回。

中国地震局公益性科研专项(200782713)和内蒙古国土资源厅地质遗迹保护专项(20101030)共同资助。

*通讯作者:白志达，教授，E-mail:baizd@cugb.edu.cn

王锡娇，女，1986生，中国地质大学(北京)矿物学、岩石学、矿床学专业，在读硕士研究生，主要从事岩石学和火山学研究，电话:010-82332047，E-mail:wangxijiaodeai@163.com。