长白山天池火山气象站期喷发类型研究

潘 波 樊祺诚 仲广培 许建东 万 园

1)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029

2)长白山天池火山监测站，吉林安图 133613

0 引言

位于吉林省东部中朝边境线上的长白山天池火山是一座大型的复合式火山，同时也是一座最具潜在喷发危险的活火山(刘若新等，1992，1996，2000;刘嘉麒，1995，1999;金伯禄等，1994)。特别是在2002—2006年之间发生了一系列的火山扰动事件之后，更引起了包括中国在内的整个东北亚地区的高度关注，各国政府和学者也开展了大量相应的研究工作(高玲等，2006;季灵运等，2009;Xu et al.，2012)。

长白山天池火山的喷发活动始于早更新世，先后经历了钾质粗面玄武岩的造盾阶段，粗面－碱流质熔岩的造锥阶段和晚更新世以来的爆炸式喷发3个阶段(刘若新等，1998;樊祺诚等，2007;Wei et al.，2007)。晚更新世或全新世以来，根据喷发物堆积层序与特征，一些研究者认为长白山天池火山存在3期大规模的喷发活动，分别是以黄色空降浮岩堆积物为特征的天文峰期，以气象站寄生火口喷发堆积为特征的气象站期和以灰白色空降浮岩和碎屑流为特征的千年大喷发期(刘祥等，2004;刘强等，2008)。气象站期喷发是介于2期大规模的爆炸式喷发活动之间的一期小规模的喷发事件，但在前人有关此期喷发类型的研究中，不同学者持有了不同的观点(刘若新等，1998;李霓等，1999;刘永顺等，2007)。

本文从岩石化学成分、野外露头与剖面特征、火山结构和颗粒形态等方面研究了气象站期喷发的类型。

1 气象站期喷发物分布与前人研究情况

长白山天池火山气象站期喷发活动是长白山天池火山晚更新世或者全新世以来一次重要的喷发事件。此期喷发的时代目前尚无定论，测年数据表明，此期喷发活动在距今4～190ka(尹功明等，1999;刘嘉麒等，1999;孙春强等，2008)。此期喷发的产物堆积于天池火口北侧的锥体上，长约5.4km，宽400～800m，厚50～150m(刘祥等，2004;聂保锋，2006;史延升，2007;潘波等，2011)。喷发产物在遥感影像上清晰可见，喷出的火口位于现在的长白山天池气象观测站处，喷出的物质沿天池锥体北侧分布，形成一条狭长的蛇状岩垄，在形貌上极似一条溢流式的熔岩流(图1)。

图1 气象站期喷发物的遥感影像与野外采样点Fig.1 Remote sensing image of the products of Qixiangzhan eruption and field sampling points.

由于气象站期喷发物位于天池火山锥体北侧，旅游公路的两侧，工作条件良好，所以前人开展了大量的研究工作，但不同的学者却存在不同的观点，特别是对此期的喷发类型的看法上不一致。刘若新等(1998)和樊祺诚等(1999)认为此期喷发物是由喷发的炽热火山碎屑物快速凝聚黏合在一起后，再经地表流动形成的碎成熔岩。李霓等(1999)认为气象站期喷发是一套小规模以熔岩溢流活动为主的熔岩－碎屑岩流。刘永顺等(2007)通过野外火山堆积物的相分析、岩石显微构造鉴定和造岩矿物化学分析，认为气象站期是一套典型的溢流熔浆冷却固结所形成的熔岩流，而不是碎成熔岩。这诸多的争议影响了对天池火山未来喷发类型与火山灾害的预测。

2 气象站期喷发物的岩石化学特征

由于气象站期喷发事件在长白山天池火山研究中具有重要意义，同时此期喷发物所处位置也易于采集样品，因此积累了大量的研究资料。本文收集了前人测试的27个气象站期岩石的全岩成分，分别为史延升等(2007)测试的数据14个，郑祥身(1983)4个，刘祥等(2004)3个，以及其他人测试数据9个。在本次工作中，笔者也采集了大量样品，并分析了部分代表性岩石样品(13个)的全岩成分，数据如表1。相比前人测试的数据，本次测试样品的位置分布更广，涵盖了更多喷发堆积物的前缘部分(图1)。

表1 气象站期喷发物岩石化学成分表Table 1 Chemical composition of products of Qixiangzhan eruption.

将上述岩石化学成分投影在TAS分类图上发现，此期喷发物主要为碱性流纹岩(图2)。从表1的数据可以看出，气象站期岩石的地球化学特点是:岩石样品的SiO2均＞71%，平均为72.3%，属于SiO2过饱和岩石;Na2O+K2O＞9.09%，平均为9.97%，且Na2O＞K2O，而Al2O3含量平均值为11.4%，含量相对较低。综上可知，此期喷发物为钠质碱性流纹岩(Liz et al.，2009;徐夕生等，2010)。另外，从岩石手标本及岩石薄片中可看出，其晶屑含量约50%，主要为歪长石、钙铁辉石、石英等，所对应的岩浆黏度极高，流动性极差，且岩浆中的气体不易逸出。据此分析，气象站期喷发为爆炸式的可能性较大，而溢流式喷发的可能性较小(Haraldur et al.，1999)。

3 气象站期爆炸式喷发的野外地质证据

气象站期喷发物的分布貌似一条熔岩流，但对自火口至前缘的整个区域的野外地质调查发现，此期喷发物的堆积形式为许多薄板的叠合，这一特点与高黏度的流纹岩的块状或者渣状特征不相符(Liz et al.，2009;徐夕生等，2010)。图3a为火口东侧剖面出露的喷发物堆积照片，图3c与3d为堆积层的垂向与平面上的照片。薄板厚3～8cm，主要为灰白色的火山碎屑物熔结而成，火山碎屑粒径不均一。薄板成层性较好，近于平直，但受下伏面的影响而波动较大。薄板层的中部比边缘部分熔结程度高，且颗粒相对均匀，中部的颗粒熔结为一体，孔隙少而致密。薄板边缘部分，特别是两薄板之间部分，含有大量的粉末状颗粒，局部大的碎屑颗粒粒径达20cm，这些颗粒同时影响了上覆降落堆积物的形态，造成了上覆薄板层的局部弯曲。图3b为气象站期喷发物中部的照片，可见自底部向上也均为薄板层状叠积，此处堆积物总厚度约80m，层理同火口附近相似，均为多层薄板的叠合。

图2 气象站期岩石化学成分的TAS投图Fig.2 TAS diagram of petrochemistry of Qixiangzhan eruption products.

图3 气象站期喷发野外地质露头Fig.3 Outcrop of the Qixiangzhan eruption products.

另外，在火口东侧的剖面中发现大量火焰状构造，这是爆炸式喷发的有力证据。火山岩中火焰状构造的成因是，爆炸式喷发出的未固结岩浆团溅落后在重力等因素的作用下形成了较周围岩石更致密的熔岩(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005;徐夕生等，2010)。在火口东侧剖面中可见不同级别的火焰状构造，最大的火焰状体长轴几十m，厚度1～2m，似熔岩层状，但其特点是两侧尖灭而不连续，不形成独立的一层，而被大量的火山碎屑岩块所包裹(图4a)。如此大的火焰体可能为炙热浆屑堆积重新熔融而成，或者岩浆沿堆积碎屑的薄弱处挤入而形成局部致密条带。图4b为小型的火焰状构造，长度几cm至数十cm，厚度不均一，因受周边碎屑堆积物的挤压限制而形态各异。

图4 气象站期堆积物中的火焰状构造Fig.4 The flame structure in the deposits from the Qixiangzhan eruption.

4 晶屑破碎特征与孔隙形态

在不同喷发类型和喷发环境中，火山岩的结构与颗粒形态具有不同的特征。如溢流式熔岩中，因为没有大的爆炸破坏力的作用，所以晶屑颗粒保存相对完整，晶屑边缘受流动中的摩擦和岩浆的熔蚀作用而相对圆滑(图5)(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005)。气象站期喷发物中含有高达50%以上的晶屑，主要为长石，含量约为90%，少量钙铁辉石、钠铁闪石、霓石和石英等晶屑(聂保锋，2006;史延升，2007;潘波等，2011)。对野外采集的气象站期岩石标本的薄片进行了偏光显微镜和体视镜下观测，主要研究其岩石结构、颗粒形貌与孔隙形态。

气象站期喷发堆积物的结构主要为斑状结构、聚斑结构和球粒结构。斑状结构和聚斑结构主要表现为喷出的岩浆快速冷却而形成的火山玻璃和岩浆房中形成的大量大颗粒晶屑共存。球粒结构主要为岩浆爆炸喷发冷凝所形成的火山玻璃经脱玻化后具有的一种结构，这是岩浆快速冷却的一个重要标志(刘永顺等，2007;潘波等，2011)。而在气象站期岩石中未发现明显的流纹结构，流纹结构是岩浆以溢流式喷发所对应的流纹岩所具有的特征结构。

图5 溢流式喷发熔岩中的晶屑形态Fig.5 Phenocryst shape of lava flow by effusive eruption.

气象站期喷发物中晶屑颗粒形态具有典型的爆炸式喷发的特征(图6)。显微镜下观测长石晶屑通常为柱状，双晶很发育，而在气象站期岩石中长石晶屑碎裂严重，破碎的颗粒大小不一，散乱无序地分布。破碎的晶屑棱角尖锐，边缘平直，无熔蚀磨圆等现象，晶屑碎屑表面具有明显的爆炸喷发所形成的炸裂痕。如图6b，c中所示，长石晶屑炸裂形成的碎屑呈尖锐的棱角状，无磨蚀或熔蚀现象，这与图5中的溢流式喷发形成的长石晶屑的形态截然不同(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005)。

图6 气象站期岩石晶屑颗粒形态Fig.6 Phenocryst shape in the Qixiangzhan eruption products.

气孔是火山岩中岩浆脱气形成的一种特征现象(Sumner et al.，2007)。利用体视镜和偏光显微镜分别对气象站期岩石的手标本和薄片进行了气孔观测，结果发现，岩石中的空隙是爆炸喷发的碎屑颗粒堆积形成的孔隙，而不是由于岩浆中脱气作用形成的气泡。镜下薄片中孔隙形态各异，形状不规则，有的呈树枝状，且边缘凹凸不平(图7a)。而溢流喷发所形成的气孔在镜下通常为椭圆状或杏仁状，边缘平滑(图7b)。另外，在体视镜下对岩石手标本的观测发现，爆炸喷发所形成的碎屑相互堆积，具有典型的颗粒支撑结构，与溢流所形成的致密块状或渣状大不相同(McPhie et al.，1993;Cathryn et al.，2005)。

图7 气象站期岩石的孔隙形态(a)与溢流喷发的气孔形态(b)Fig.7 Porosity shape of the Qixiangzhan eruption products and pores shape of lava flow by effusive eruption.

5 讨论

爆炸式与溢流式喷发是火山喷发活动的2个典型类型，是2种截然不同的喷发形式。一座大型的复合式火山，在不同的岩浆演化阶段和喷发环境下，常存在喷发类型的交替或复合式的喷发活动。长白山天池火山的岩浆演化自早更新世的玄武质喷发开始，逐步演化为粗面质岩浆，至全新世成为高黏度的碱性岩浆，喷发模式也从初期的溢流式喷发为主逐渐转变为爆炸式喷发为主的喷发。气象站期喷发的岩浆成分处于岩浆演化晚期的高黏度的碱性岩浆，在理论上喷发类型是爆炸式喷发的可能性更大，而溢流式的喷发概率小。

气象站期喷发物在遥感形貌上似一条熔岩流，但在剖面上见到的是薄层板状结构，且在薄层之间含有大量的未熔结的火山碎屑物颗粒，此种结构用喷泉式爆炸喷发堆积的模式解释更为合理，即薄层为小规模的强爆炸喷发产生的细小碎屑颗粒堆积所形成。溢流式喷发通常为块状致密结构或者渣状构造，特别是由高黏度的碱性岩浆溢流所形成的堆积更多为厚层，而不是具有多层的平直薄层结构。野外的堆积特征更进一步说明气象站期喷发类型为爆炸式喷发。

对岩石薄片和手标本的镜下观察发现，气象站期岩石中晶屑颗粒破碎，边缘平直且棱角分明，碎屑痕十分发育，这是强爆炸产生的爆炸力将晶屑炸碎所形成。手标本在体视镜下可观察到由细小岩浆碎屑堆积形成的颗粒支撑结构，具有不规则的孔隙。这些特征均与溢流式喷发产生的岩石结构不相符。这更进一步说明了气象站期喷发类型为爆炸式而非溢流式。

6 结论

通过对长白山天池火山气象站期岩石的岩石化学组成、野外露头特征、岩石结构与颗粒形貌的综合研究，认为此期活动的喷发类型为小规模的强爆炸式喷发，所形成的堆积物为流纹质熔结凝灰岩，而不是以往认为的碎成熔岩或溢流式流纹岩。另外，根据气象站期喷发类型确定，长白山天池火山晚更新世或全新世以来的3次大规模的喷发活动均为爆炸式喷发，而不是以前所认为的爆炸式－溢流式－爆炸式的喷发模式。这对今后长白山天池火山灾害的预测与预警工作具有重要的意义，即未来可将更多的灾害预防工作放到如何应对爆炸式喷发的火山灾害上。

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