东北龙岗火山区孤山屯泥炭中显微火山灰的发现及其意义

赵宏丽 刘嘉麒

1)中国科学院地球环境研究所，西安 710075

2)中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

东北龙岗火山区孤山屯泥炭中显微火山灰的发现及其意义

赵宏丽1)刘嘉麒2)

1)中国科学院地球环境研究所，西安 710075

2)中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

孤山屯位于东北龙岗火山区，距离长白山天池火山200km，在沉积物深度40～43cm处发现少量火山灰颗粒，其形态不规则，呈多气泡状、薄板状、尖角状结构，属原生火山灰。电子探针分析结果显示其属于碱流质火山喷发，而不同于龙岗地区第四纪火山活动的特征。通过AMS14C年龄所建立的年龄模式推断孤山屯沉积物深度40～43cm(即发现火山灰的层位)处的年龄应为260～420 cal a BP，这与史料记载的天池火山公元1702年、1668年和1597年的喷发年龄较接近，而且公元1702年、1668年和1597年主要为碱流质岩浆喷发，与孤山屯沉积物中发现的火山灰的地球化学特征也相吻合，进一步证明孤山屯沉积物深度40～43cm处的少量火山灰应来源于天池火山千年大喷发后的公元1702年、1668年和1597年喷发。关于天池火山公元1702年、1668年和1597年喷发的记录比较少，这3次小规模的喷发发生于天池火山千年大喷发之后，且其喷发物的特征与天池火山千年大喷发的特征比较接近，却亦有不同之处。因此，在对沉积物中火山灰的探寻研究工作中，若发现了来自公元1702年、1668年或1597年的火山灰颗粒，可对其下部地层做更为细致的分样以及火山灰提取工作，这对未来在研究区域寻找长白山天池火山千年大喷发的记录有很大的帮助。如果天池火山大喷发的喷发物在龙岗火山区更多的沉积物中发现，便可在该地区建立非常稳固的火山灰年代地层学框架，为地层对比和追踪火山演化历史提供时间依据，最重要的是多种测年方法的应用可为记录气候环境提供准确的高分辨率时间标尺，而这对于过去全球变化研究亦非常重要。

孤山屯 显微火山灰 电子探针分析 火山灰年代学

0 引言

火山灰的研究作为探讨古气候和古环境的一种手段，近10年来引起了国内外学者的广泛关注(Marfil et al.，1998;Kramer et al.，2001;Grevenitz et al.，2003;Hints et al.，2006;Huff，2008;Su et al.，2008)。气候学和古环境学的研究表明，火山喷发可以导致某一区域内短期的气候变化或者对冰期产生强烈影响(Baillie et al.，1988)。同时，火山灰层的成因机制决定了其空间分布的等时性和广泛性。因此，火山灰的地层学特征和精确定年，具有重要的地层对比意义(钟蓉等，1996;孙善平等，2004;Desmares et al.，2007)。

火山爆发时喷射到大气中的所有固体物质被称为火山碎屑物。在爆发性的火山活动中，固体石块和熔浆被分解成细微的粒子(直径＜2mm)而形成火山灰。粒径＞2mm的火山碎屑物会在火山爆发后的几分钟至几天内沉降下来，而粒径＜2mm的火山灰一般可在空中漂浮数月甚至数年，但火山灰的沉积过程在地质时间尺度上仍然是瞬时的。

同时，在风力和风向以及火山喷发规模、火山灰类型等因素的控制下，火山灰可以大范围扩散并沉降在冰川、海洋、湖泊、黄土之上。例如，1259年墨西哥El Chichon火山喷发的火山灰飘落到格陵兰岛和北极的冰盖之上(Palais et al.，1992);1815年印度尼西亚的Tambora火山灰在平流层里漂浮了数年(Sigurdsson et al.，1983;Stothers et al.，1984;Dai et al.，1991);长白山天池火山千年大喷发的火山灰在日本岛已有发现(Machida et al.，1990);1991年Pinatubo火山喷发的火山灰环绕了地球数圈(Stenchikov et al.，1998;Kirchner et al.，1999)。

火山灰沉降过程的瞬时性(地质时间尺度)和空间范围的区域性乃至全球性，使得同一次火山爆发所产生的火山灰在其覆盖的整个地理区域之内可形成一个空间上的等时标志层(面)，从而为该区域内不同环境中地层序列的定年及对比提供统一的时间标尺。尤其是可作为难以定年地区的地层序列确定及对比的时间标志层(Ruddiman et al.，1972;Westgate et al.，1981;Bjorck et al.，1992;Haflidason et al.，1995;Wohlfarth，1996)。

除了对沉积物中肉眼可见的火山灰的研究之外，近20年来，显微火山灰的研究也飞速发展，使火山灰学从宏观描述走向微观视域的精细研究。1989年，Dugmore在其文章中首次提到对沉积物中肉眼看不到的火山灰的识别，并把这种火山灰称为显微火山灰(cryptotephra)。这一研究成果引起了北欧、斯堪的纳维亚、冰岛(Pilcher et al.，1992，1996;Wastegard et al.，2000;Hall et al.，2002，2005)、日本(Machida et al.，2002)、新西兰(Froggatt，1983;Gehrels，2006)、俄罗斯(Braitseva et al.，1997)等国家火山灰科学工作者的兴趣(Davies et al.，2002，2007，2008;Turney et al.，2004a，b)。

一般而言，不同火山、乃至同一火山不同期次喷发的火山灰在地球化学性质方面均具有不同程度的差异。早期，对于火山灰层位的识别主要依靠火山喷发物所特有的颜色和岩石学特征。随着测试技术的飞速发展，火山灰研究也从简单定性描述，走向精细定量研究(Pilcher et al.，1992，1996;Hall et al.，2002，2005)。

利用电子探针分析技术，研究英国北部和爱尔兰的泥炭地层沉积物中的火山灰的地球化学组成和性质，结果显示上述地区两层火山灰的地球化学性质，分别类似于冰岛Hekla火山在公元1104年和公元1510年的喷发物。这一研究结果限定了英国北部和爱尔兰的泥炭地层中两期火山灰的精确年代(Blackford，2000)，进而建立了泥炭地层的年代格架。因此，利用地球化学研究成果，结合已有的火山喷发背景资料等来确定火山灰的来源，并进行年代对比，从而建立区域地层年代格架成为火山灰研究的重要内容。

火山灰年代学是进行不同环境沉积地层对比、建立时间地层格架的最直接的手段，并已被广泛应用于古环境、古气候及考古学等各种研究中。火山灰层还是重要的同位素测年等时标志层，火山灰层测年和地层对比研究是建立可靠的地层划分框架、以及许多地质学研究的先决条件(Westgate，1981)。

1 地质背景

中国东北地区晚新生代以来火山活动极为频繁，保存了大量的火山活动记录(刘嘉麒等，1987，1999;刘若新等，1998，2005;白志达等，1999，2006;樊祺诚等，1999，2002，2006)，也引起了众多学者的关注与研究(刘祥等，1997，2006;魏海泉等，2000;刘强(中国科学院地质与地球物理研究所)等，2005;彭玉琼等，2008;刘强等(中国地震局地质研究所)，2008，2009;栾鹏等，2009;张秉良等，2009)。

天池火山是全球最具有潜在灾害性喷发危险的火山之一，也是目前中国境内规模最大、保存最为完整的新生代多成因复合火山(许东满等，1993;金伯禄等，1994;魏海泉等，1995;刘祥等，1997;崔钟燮等，2008)。天池火山海拔2 755m，其喷发后所形成的火山口湖——天池，海拔2 189m，最深达373m。史料记载天池火山在晚新生代以来曾经喷发过数次，而规模最大、影响力最深的是公元1199—1200年的一次喷发(崔钟燮等，2000)，也是近2000a来全球最大的一次喷发事件，其火山灰向东南漂浮并降落到日本海及日本北部地区(Machida et al.，1983，1990)。但是在距离天池火山西北方向仅200km的龙岗火山区内，除了郭正府等(2005)曾在四海龙湾玛珥湖中发现少量的天池火山灰外，关于天池火山喷发的西北边界还鲜有报道。

龙岗火山区位于天池火山西北方向大约200km处，吉林省东南部的龙岗山脉两侧，界于辉南和靖宇县之间，火山活动始于新近纪(王雨钧等，1980;刘嘉麒，1987)，更新世为鼎盛期，全新世以来仍有较强的喷发活动，是中国近代活动火山区之一(刘嘉麒，1988;刘祥等，1997;刘若新，2000;白志达等，2006)，也是长白山地区第二大火山区。在约1 700km2的范围内分布着100多个爆破成因的玄武质火山渣锥和射气岩浆成因的低平火山口——玛珥湖(在龙岗火山区内被称为龙湾)(樊祺诚等，2002)，主要有小龙湾、二龙湾、大龙湾、三角龙湾、东龙湾、南龙湾、龙泉龙湾和四海龙湾等，以及孤山屯沼泽地和干涸的玛珥湖旱龙湾(图1)。

位于龙岗火山区内的孤山屯沼泽地，海拔约500m，近圆形，直径约1 000m，北高南低，周围被高600m以上的玄武岩台地所包围，东南部有个小的出水口，沼泽地发育了约7m厚的泥炭沉积，并且终年积水不干。该沼泽地所处地带年均温度3℃左右，1月平均温度-16℃，7月平均温度21℃，年降水量700mm，全年无霜期135～150天，属于温带。地面上主要生长着各种水藓、苔草、桦灌丛等，沼泽的周围稀疏生长一些次生植被，主要有桦、柳、胡桃等(刘金陵，1989)。此地亦毗邻长白山天池火山，非常有利于火山灰研究工作的开展(研究区地理位置见图1)。

2 实验方法

2.1 样品采集

利用D-section钻机在孤山屯沼泽地打钻，深673cm(图2)。D-section钻机在全新世泥炭地的采样中具有非常突出的优点，钻机获取未受扰动的沉积物的大部分表面出露在刮刀上，非常有助于识别沉积物的类型、腐殖化程度、颜色、分带等。在野外采集沉积物样品时严格使用了不干扰沉积物层序的采样方法，在泥炭地进行初步的钻孔实验，选取沉积厚度大且完整的沉积序列，避免地方性花粉的影响，避开被怀疑有过沉积扰动的地点。用塑料外套管收集岩心柱，标注好采样地点、位置、深度以及地层序列的上下端，用聚乙烯薄膜包装岩心并密封好，用坚固的箱子运回实验室冷藏，以便在实验室更准确、更细致地进行岩心取样。

2.2 室内研究

2.2.1 火山灰的提取

在确保尽量减少样品污染的情况下，在实验室对样品进行1cm间隔的分样，之后的步骤如图3，共分析样品670个。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location of the research area.

由于样品中泥炭含量比较高，因此在火山灰的提取上采用了烧失法(Pilcher et al.，1992)和重液浮选法(Turney，1998)(图3)。烧失法是将样品在550℃下加热2h，以除掉有机质，冷却后再用10%HCl浸泡12h，以去除可溶性无机盐。由于孤山屯样品中硅藻的含量相对较高，对于镜下鉴定火山灰造成了一定干扰，所以试验中采用5%KOH在90℃水域加热1h，既去除了硅藻又使得火山灰物质不溶蚀(Rose et al.，1994)。经过以上前处理的样品用10μm的筛网进行过滤，为之后采用重液浮选法进行火山灰样品的提纯工作做准备。

烧失法和稀碱法可以去除沉积物中的有机质和生物硅，但是湖泊的沉积物中尚含有大量的矿物，因此采用重液浮选法进行分离。重液为Na6(H2W12O40)·H2O溶液，其密度＜2.3g/cm3时没有火山灰漂浮，而当重液密度＞2.45g/cm3时有较多碱流质火山玻璃漂浮，密度＞2.75g/cm3时开始有玄武质火山玻璃漂浮(Turney，1998)，因此本研究在密度的选择上采用了2.5g/cm3。为了尽可能地不遗漏火山灰，在具体试验中，样品的上清液和下清液均在镜下进行检验。

图2 孤山屯剖面地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the Gushantun section.

2.2.2 镜下鉴定

经过重液浮选的样品的上清液和下清液均在Olympus BH-2显微镜下逐一查看，在沉积物深度40～43cm处发现少量火山灰，无色透明且有气泡(图4 a)，在其他层位未发现火山灰。

2.2.3 扫描电镜及电子探针分析

为了确定孤山屯沉积物中发现的火山灰的来源，我们对其进行了仔细的地球化学分析。将经过上述前处理的火山灰样品滴在温暖的毛载玻片上蒸干，用一薄层环氧树脂覆盖(araldite MY 778和hardener HY 956的混合物)，然后先用6μm的金刚砂磨光，再依次使用3μm、1μm的金刚砂打磨，直到火山玻璃暴露且处于同一个平面上，之后加上碳衣便可进行电子探针测试。

扫描电镜与电子探针测试工作在英国女皇大学(Queen's University Belfast)完成，仪器型号为JEOL FEGSEM 6500F，仪器操作条件为:电流20nA，加速电压为15kV，电子束斑直径为5μm。

JEOL FEGSEM 6500F电子探针在分析样品时使用了能谱分析与波谱分析。其优势在于可以通过能谱分析快速而精确地测定含量高的元素。而含量低或易挥发的元素则可选用波谱分析测定。例如，与其他的分析程序相比，该电子探针可以设置首先采用波谱分析钠、镁、锰和钛含量，其他元素含量则采用能谱分析获得。这种方法大大降低了实验室分析误差(Coulter et al.，2010)，保证了实验数据的可靠性。

2.2.4 AMS14C年龄测定

孤山屯沉积物剖面中多个层位都保留了陆生植物的叶片和树枝，经过挑选，9个不同层位的陆生植物残体样品分别在英国女皇大学(4个)和日本东京大学(5个)的AMS14C实验室进行了AMS14C年龄测定，其结果如表1。所有AMS14C年龄均用基于IntCal09数据库(Reimer et al.，2009)的程序进行了校正，表中的校正年龄为获得校正后的日历年龄(以cal a BP表示)。根据这9个AMS14C年龄建立了深度-年龄模式(图5)。

3 讨论与结论

图3 沉积物样品中火山灰的提取方法(据Pilcher et al.，1992;Turney，1998)Fig.3 Methods for extracting tephra from sediment samples(after Pilcher et al.，1992;Turney，1998).

图4 显微镜下孤山屯沉积物中的碱流质火山灰颗粒(a，b，c)与长白山天池表土样品中碱流质火山灰颗粒(d)对比(Hongli Zhao，2010)Fig.4 Photographs of tephra shards from Gushantun sediment(a，b，c)and Tianchi volcano type material(d).

表1 长白山孤山屯剖面AMS14C测年数据表Table 1 AMS14C data from Gushantun，Changbaishan

图5 孤山屯剖面年龄深度曲线Fig.5 Age-depth plot of Gushantun section.

扫描电子显微镜观察显示，孤山屯沉积物中发现的火山灰形态不规则，呈多气泡状、薄板状、尖角状结构，与长白山天池表土样品中火山灰颗粒(Hongli，2010)的形状很相似(图4)。这说明它们属于火山喷发后直接沉积到孤山屯沼泽地中的产物，没有经过再搬运以及湖底生物和水流的扰动，属于原生火山灰，而且火山灰的SiO2和挥发分含量较高，显示此次喷发的能量比较高。

对挑选的4粒新鲜火山灰颗粒进行电子探针分析，SiO2变化为70.2%～70.98%，Al2O3变化为9.44%～9.73%，Na2O变化为3.55%～3.92%，K2O变化为3.83%～3.96%(表2)，且孤山屯沉积物中火山灰颗粒的投点位于流纹岩范围内(图6)。该火山灰的平均化学组成与长白山天池火山千年大喷发所形成的火山灰的化学成分(Machida et al.，1990)以及郭正府等(2005)的研究结果相比，Al2O3、Na2O和K2O的含量均略低，但该火山灰与龙岗地区第四纪单一的粗面玄武质喷发(于福生等，2003;Liu et al.，2009)成分明显不同(图6)。中生代时本区附近的地层中有中酸性火山岩(刘德来等，1994)，它们与长白山火山灰的成分相近，如果它们做为火山碎屑沉积到所研究的地层中，由于搬运作用，火山灰颗粒在显微镜下不会呈现尖锐的棱角等原生火山灰的特征。因此，在孤山屯沉积物中发现的这些少量火山灰，既不可能是附近地层沉积而来，也不可能来源于龙岗地区，那么最有可能的来源应当是天池火山喷发。

根据火山地质以及各种史料记载，距今5ka以来长白山天池火山曾有过多次喷发活动(刘若新等，1998)。而距今1 000a的大喷发一直受到众多火山研究者的关注，刘若新等(1998)对圆池附近的炭化木系统的14C测年，认为天池火山最近的一次大喷发年代为公元1215年。刘嘉麒等(1999)通过对40余个不同地点的火山喷发物中的炭化木做14C测年，界定天池火山大喷发的年代为820～1489a BP。而崔钟燮(2000)通过对相关历史文档的考证，认为此次大喷发的年代在公元1199—1200年。天池火山除了千年大喷发外，史料还记载了公元1702年、1668年和1597年等小规模的喷发(崔钟燮等，1995)。樊祺诚等(2006)对长白山天池火山喷发历史的研究中指出，天池火山的碱流质熔岩喷发活动持续到晚更新世。进入全新世后，碱流质岩浆向更富硅、碱和挥发分演化，晚更新世—全新世是天池火山碱流质岩浆的主喷发期。这就是为什么在孤山屯沉积物中发现的少量火山灰颗粒与天池火山大喷发的特征相近而又稍有不同的原因。

表2 孤山屯沉积物火山灰颗粒电子探针测试结果(wt%)Table 2 Geochemical composition of tephra shards in sediments from Gushantun(wt%)

图6 孤山屯沉积物中火山灰、龙岗地区火山喷发物以及天池火山灰的TAS分类图解对比(据Le Maitre et al.，2002)Fig.6 Classification of tephra from Gushantun，Tianchi volcano and Loanggang based on the total alkalis-silica(TAS)(data are normalized to 100%)(plot provided by Le Maitre et al.，2002).

本文通过AMS14C年龄所建立的年龄模式推断孤山屯沉积物深度40～43cm(即发现火山灰的层位)处的年龄应为260～420cal a BP，这与史料记载的天池火山公元1702年、1668年和1597年的喷发年龄较接近，而且公元1702年、1668年和1597年主要为碱流质岩浆喷发，这与孤山屯沉积物中发现的火山灰的地球化学特征也吻合，进一步证明了孤山屯沉积物深度40～43cm处的少量火山灰应来源于天池火山公元1702年、1668年或1597年的火山喷发。

关于天池火山公元1702年、1668年和1597年喷发的记录比较少，但是这3次小规模的喷发发生于天池火山千年大喷发之后，且其喷发物的特征与天池火山千年大喷发的特征比较接近，但亦有不同之处。因此在对沉积物中火山灰的探寻研究工作中，若发现了来自公元1702、1668和1597的火山灰颗粒，可对其下部地层做更为细致的分样以及火山灰提取工作，这对未来在研究区域寻找长白山天池火山千年大喷发的记录有很大的帮助。如果天池火山大喷发的记录在龙岗火山区更多的沉积物中发现，便可在该地区建立非常稳固的火山灰年代地层学框架，为地层对比和追踪火山演化历史提供时间依据。最重要的是多种测年方法的应用可为气候环境记录提供准确的高分辨率时间标尺，而这对于过去全球气候变化研究又非常重要。

致谢 英国女皇大学Valerie Anne Hall教授在本文完成过程中给予了帮助及宝贵的建议，英国女皇大学的Paula Reimer教授和Maarten Blaauw博士在AMS14C年龄校正方面给予帮助，中国科学院地质与地球物理研究所的郭正府研究员、刘强博士亦等对本文提出了非常宝贵的意见，在此一并表示诚挚的谢意!

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CRYPTOTEPHRA DISCOVERED IN GUSHANTUN PEAT OF NE CHINA AND ITS SIGNIFICANCE

ZHAO Hong-li1)LIU Jia-qi2)

1)Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710075，China
2)Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

Gushantun，200km to Tianchi volcano，is located in the Longgang volcanic area of northeastern China.Cryptotephra were discovered in the sediment at 40 ～43cm depth，and the particular shape，such as bubbles，flat and sharp rim，suggests that the tephra shards are the result of direct sinking to the bottom rather than the one of secondary transportation.Electron microprobe analysis showed that the volcanic ash was derived from rhyolitic lavas which are different from the characteristics of the Longgang area volcanism in Quaternary.

The age of the bed at depth 40～43cm in Gushantun is 260～420cal a BP calibrated by using AMS14C.This is very close to the Tianchi volcano eruptions which happened in 1702，1668 and 1597AD.Moreover，these three eruptions are all rhyolitic eruptions which have the similar characteristics with tephra shards detected in Gushantun.All of the information shows the Gushantun shards could come from Tianchi 1702，1668 or 1597AD eruptions.There are few records about these eruptions，however，they happened after the millennium eruption of Tianchi volcano(1199-1200AD)and have geochemical characteristics very close to that of the millennium eruption.In the future work，if the tephra shards of these three eruptions are discovered in the sediments，we can do more careful work as tephra subsampling and extracting in the underlying layers to look for the possible Tianchi tephra.This will be very helpful for searching tephra shards of the Tianchi millennium eruption in the research area.If more Tianchi tephra shards are discovered in Longgang volcanic area，the firm tephrochronology and tephrostratigraphy frame can be established to provide the time basis for stratigraphic comparison and trace the evolution of volcano eruption.Moreover，the use of multi dating methods could provide precise and higher resolution time scale for recording the climatope，which is very significant for studying the past global changes.

Gushantun，cryptotephra，electron microprobe analysis，tephrochronology

P317.3

A

0253-4967(2012)03-0516-15

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.03.012

2012-03-29收稿，2012-06-25改回。

国家自然科学基金(41202260)资助。

赵宏丽，女，1978生，2010年在英国女皇大学获得博士学位，助理研究员，现主要研究方向为火山灰年代学地层学以及孢粉学，电话:029-88324671，E-mail:zhaohl@ieecas.cn。