长白山天池火山天文峰期黄色浮岩成因研究*

潘波 程滔 徐丹 刘松军

1. 中国地震局地质研究所，吉林长白山火山国家野外科学观测研究站，北京 1000292. 中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 1000293. 国家基础地理信息中心，北京 100830

长白山天池火山位于中国东北的中朝边境线上，是长白山火山系中最年轻的一座大型复合式活火山(图1)。在其锥体北坡的天文峰之上，出露了天池火山爆炸式喷发阶段的空降浮岩堆积，自顶向下依次展现了灰黑色、灰白色、黄色与灰白色等多种色彩，条带状的颜色成因引起了学者的广泛关注。通常岩石颜色的成因分为原生色和次生色两种类型。原生色是岩石由于本身成分或矿物组成所形成的颜色，如火成岩中的喷出岩，颜色总体与岩浆成分和矿物组成相关，随着SiO2含量上升，Fe与Mg等元素和辉石与橄榄石等暗色矿物减少，喷发物颜色由深色逐渐向浅色过渡，如低硅高铁的玄武岩多呈现出深色(图2a)，而高硅低铁富长石的碱流岩多呈现出灰白色(图2b)(徐夕生和邱检生, 2010; Sigurdsson, 2000)。次生色主要由岩石后期所处环境变化或风化淋滤作用所形成，如同为喷出岩的玄武岩，在溢流喷发中多为灰黑色，而干燥环境下爆炸溅落中受氧化作用呈现出砖红色(图2c)，这主要是岩石内Fe、Mn等离子发生氧化还原反应所造成(Farr and Adams, 1984; Paulick and Franz, 1997)。再者，沉积物中有机物的含量多少也可造成颜色的改变，如中国东北的黑土主要是由于富含大量腐殖质而成为黑色(熊毅, 1937)。当然，除普遍规律与特征外，自然界中各种岩石的颜色还有其独特的特征和意义，成因也纷繁复杂，是科学关注和研究的重要内容(Hildreth, 1983; Fisher and Schmincke, 1984; Imaietal., 1993; Klug and Cashman, 1994; Capaccioni and Coniglio, 1995)。

图1 长白山火山地质简图与剖面观察点位置(据Andreeva et al., 2014修改)黑色线为千年大喷发空降浮岩分布的边界线；黄色线为天文峰期喷发空降浮岩分布的北侧边界线；T-天文峰剖面位置；H-黑石沟剖面位置Fig.1 Geological map of Changbaishan volcano and the observation point of section for Tianwenfeng eruption (modified after Andreeva et al., 2014)The black line is the boundary of the pumice fall of the Millennium eruption; the yellow line is the boundary of the pumice fall of the Tianwenfeng eruption in China side; T is the location of Tianwenfeng section; H is the location of Heishigou section

图2 火山喷发形成不同颜色的火山岩(a)夏威夷火山溢流喷发产生的黑色玄武岩；(b)美国长谷火山爆炸式喷发产生的灰白色碱流质空降浮岩和火山碎屑流(Hildreth and Wilson, 2007)；(c)长白山红土山火山的红色溅落渣锥Fig.2 Different colors of volcanic rocks or deposits generated by volcano eruption(a) black basaltic lava flow in Hawaii volcano; (b) gray comenditic pumice fall and pyroclastic flow in Long Valley volcano in the USA (Hildreth and Wilson, 2007); (c) red splashing cinder cone at Hongtushan in Changbaishan volcano

天池锥体北坡的天文峰剖面前人曾开展过系列的研究，主要关注各期次的喷发历史和成分的变化(图3a)，而在颜色上涉及的讨论较少。最顶部薄层灰黑色浮岩的SiO2含量约为65%，紧挨着下部的灰白色浮岩的SiO2含量约为74%(图3b)，两者均为千年大喷发(946-947AD)的喷发产物，颜色的差异主要是由于岩浆成分的不同所形成，此认识目前得到广泛的认可(Hayakawa and Koyama, 1998; Chenetal., 2016; Panetal., 2017, 2020)。而下部一套厚层的空降堆积物，颜色由上部黄色逐渐过渡到下部的灰白色，存在了广泛的争议并引起学者开展了相关研究。刘若新等(1998)根据野外调查认为两者颜色上虽存在差异，但未存在明显的堆积间断，整体应为同一次喷发作用所形成，但关于浮岩颜色的差异原因并未进行讨论。张秉良等(2006, 2008)对黄色浮岩和上部千年大喷发浮岩的火山玻璃进行了显微研究，发现黄色浮岩的风化厚度为3.74μm，而千年大喷发浮岩的风化厚度为0.98μm，且风化层在成分上富Al和Fe，而Si相对降低，但也未延伸到颜色差异原因。尹功明等(2012)首次针对黄色浮岩的颜色成因进行了探讨，认为黄色物质是千年大喷发过程中高温热水交代围岩作用所造成，不是一次独立喷发活动所形成，此观点的提出受到大量的质疑。许建东等(2013)根据岩相学与显微形貌特征重新确立了此套浮岩应为一期独立喷发活动所形成，且通过气孔结构等认为是与千年大喷发规模相似的一次喷发活动。此后，Yangetal. (2014) 和Sunetal. (2017) 分别应用40Ar/39Ar和释光技术对此期喷发的年代进行了研究，均表明黄色浮岩的活动时代与千年大喷发不同，应是一次独立的喷发活动。Panetal. (2020) 根据区域地层关系和测年结果，认为此期为大规模的喷发活动，喷发物分布广泛，且据日本海火山灰B-J层推测喷发年龄可能为～50ka。另外，本文根据这套厚层浮岩主要发育在天文峰之上，将其命名为天文峰期喷发，便于后续的讨论。

图3 天池北侧天文峰主峰上的空降浮岩堆积物照片(a) 天文峰主峰整体照片，可见中间厚层的黄色浮岩与灰白色浮岩；(b) 剖面顶部的千年大喷发灰黑色粗面质空降浮岩和灰白色碱流质空降浮岩；(c) 天文峰上黄色浮岩与灰白色浮岩；红色方块为天文峰上全岩成分测试样品的采样点Fig.3 Photos of pumice fall deposits at Tianwenfeng summit, north of Tianchi Lake(a) Photo of Tianwenfeng summit shows the thick pumice fall deposits with yellow and gray color; (b) Photo at the top of summit shows the deposit of Millennium eruption, which was composed with black trachyte pumice fall and gray comenditic pumice fall; (c) the yellow pumice and gray pumice at Tianwenfeng summit; Red squares are the sample point for Whole-rock geochemistry analysis

目前，根据诸多前人研究成果基本可以确定天文峰黄色浮岩层是一次独立喷发活动所形成，但对于其颜色成因与变化问题却仍未有相应的专门研究工作。本文在前人工作基础上，关注天文峰期黄色浮岩的颜色成因问题，进行了野外地质调查、浮岩的显微形貌、全岩的主微量、电子探针与LA-ICP-MS测试等工作，获得了天文峰期喷发堆积物分布、显微形貌和成分等特征，据此进一步验证了天文峰期黄色浮岩与下部灰白色浮岩为同一期喷发所形成；上部黄色浮岩的颜色为次生色，是由于在湿润环境下形成的黄色粘附物改变了原来的颜色而形成。这一研究揭开了黄色浮岩的颜色成因，也为天文峰期喷发活动的深入研究奠定了基础。

1 区域地质概况与天文峰期喷发

长白山天池火山由于其公元946～947年的大规模爆炸式喷发和2002～2006年的火山扰动事件，使天池火山被认为是中国境内最具潜在喷发危险的大型活火山，引起了中国乃至东北亚地区的高度关注(Hayakawa and Koyama, 1998; Xuetal., 2012; Stone, 2011, 2013; Oppenheimeretal., 2017; Panetal., 2020)。长白山火山喷发活动始于渐新世，初期玄武质岩浆溢流式喷发在区域内形成了广泛的熔岩盾，后期随着岩浆的分异演化，逐渐形成了以粗面岩为主的火山锥体，并最终分异演化出碱流质岩浆，形成大规模的爆炸式喷发活动，将高耸的锥体爆破形成破火山口，同时深部岩浆不断沿裂隙上侵在破火山口周围形成小规模的熔岩渣锥(图1)(刘若新等, 1998; 樊祺诚等, 2007)。目前，天池火山是长白山火山体系中最年轻和火山口保存最为完整的一座，其晚期爆炸式喷发产生的空降浮岩和火山碎屑流广泛分布在火口四周，是区域内地表最主要的出露地层和堆积物(Sunetal., 2017; Panetal., 2017)。

天文峰期喷发由于喷发物出露较少，仅在天文峰处见厚层堆积，总体研究程度相对较低，有待进一步相关工作的开展。其中，最为关注的喷发时代问题尚未厘定，刘若新(2000)根据园池钻孔中千年大喷发浮岩下的碳化木年龄推测喷发可能发生在约5000年前；Yangetal. (2014)通过高精度40Ar/39Ar同位素技术对黄色浮岩测定认为喷发时间为4.2±0.4ka BP；Sunetal. (2017)通过释光技术对黄色浮岩进行测试认为喷发时代约为2ka BP；另外，Limetal. (2013)提出日本海钻孔中的B-J火山灰层(地层时间为51ka)可能来源与长白山，Panetal. (2020)通过地层关系比对认为该火山灰层可能对应于黄色浮岩，因此借鉴喷发时间为～50ka；综上可见黄色浮岩的喷发时间仍待进一步的精确测定。另外，此期喷发堆积物由于喷发时代相对较老，地表出露有限，仅在部分钻孔和探槽中可见，因此分布范围和喷发规模等也尚不明确(刘嘉麒和王松山, 1982; 刘若新, 2000; 刘强等, 2008)。

2 方法与技术

火山岩的颜色普遍认为主要与成分或者喷发环境(如氧化还原)有关，因此为解决天文峰期黄色浮岩的成因问题，本研究分别进行了野外地质调查、浮岩显微形貌观察和地球化学成分测定三个方面的工作(熊毅, 1937; Macdonald and Katsura, 1965; Paulick and Franz, 1997)。

2.1 野外地质调查

天池北侧的天文峰是天文峰期喷发堆积物的主要出露点(图1点T)(刘若新, 2000; 刘祥等, 2004)，野外针对此剖面进行了详细调查和系统取样，观察剖面颜色的变化特征、浮岩粒径、岩屑含量，以及与上下层之间的接触关系(图3)。另外，刘强等(2008)在天池锥体东侧的双目峰钻孔中发现了黄色浮岩层的存在，并通过喷发序列与堆积层序与天文峰黄色浮岩层相对应，为天文峰期喷发的中源空降浮岩堆积。因此，我们野外工作中在黑石沟底部开挖探槽(图1点H)，寻找到厚约2.6m的该期空降浮岩，颜色同样也呈现出顶部为黄色，下部为灰白色的特征，详细观察结果见文献(Panetal., 2020)。同时，在这两个剖面上进行了自上而下的系统取样工作。

2.2 显微形貌观察

针对天文峰与黑石沟内黄色浮岩、浅黄色浮岩和下部灰白色浮岩样品分别进行了岩石薄片的磨制，磨制中按电子探针的要求进行抛光，为后续电子探针微区成分测试做准备。同时选取千年大喷发碱流质浮岩和粗面质浮岩作为对比样品进行了电子探针薄片磨制。利用偏光显微镜开展了岩石薄片观察，观察内容包括火山玻璃结构、气孔形貌、斑晶组成以及气孔内的填充物等。另外，电子探针的背散射电子图像(Back Scattered Electron Imaging，简称BSE)可放大至更高倍数进行岩石薄片特征的观察，因此利用其对火山玻璃、气孔形貌及充填物等进行了更深入细致的观察。

2.3 岩石成分测定

岩石成分的测试包括全岩的和火山玻璃的主微量成分测试。全岩的主微量测试在中国地质科学院国家地质实验测试中心进行，主量元素利用X荧光光谱仪(Phillips PW4400 X-ray Fluorescence Spectrometer)按照国标GB/T14506.28—2010标准流程进行测试，微量元素利用等离子质谱仪(X-Series)按照国标DZ/T0223—2001标准流程进行测试。电子探针测试在美国俄勒冈州立大学电子探针测试实验室进行，测试仪器为Cameca SX-100，加速电压为15kV，电子束电流为30nA，光斑直径为5μm，分别进行了黄色浮岩火山玻璃、气孔内充填物和灰白色浮岩火山玻璃的主量元素测试。微量元素的测试是在美国俄勒冈州立大学W. M Keck等离子体光谱实验室(W.M Keck Collaboratory for Plasma Spectrometry)开展，测试仪器激光器为NewWave DUV ArF Excimer laser，分析仪器为VGPQ ExCell Quadrupole ICP-MS，激发激光光斑为30μm，元素分析误差<5%，相关测试流程参考Kentetal. (2004)，分别进行了黄色浮岩火山玻璃，气孔内充填物和灰色浮岩火山玻璃测试。

另外，X射线荧光光谱分析(X Ray Fluorescence，简称XRF)是一项有效检测岩石与土壤组成的快捷方法，但检测精度有限(～5%)。黄色浮岩成因主要与火山玻璃的弱风化淋滤相关，成分变化量微小，XRF检测两种颜色浮岩组成未见区别。

3 观测与分析结果

3.1 野外剖面观察

野外对天文峰和黑石沟两个剖面进行细致观察。

天文峰剖面位于长白山天池火山破火山口北侧天文峰之上(图1点T)，黄色浮岩与灰白色浮岩是此主峰的主要组成物质。浮岩沿破火山口缘东西向约240m，平面出露面积约15000m2，厚度随地形波动，总体在40～50m之间(图3)。该剖面上部存在厚1～2m的千年大喷发空降浮岩，由上部灰黑色粗面质浮岩和下部灰白色碱流质浮岩组成，与黄色浮岩层间表现为直接压盖关系(Panetal., 2017)。剖面下部厚层灰白色浮岩直接压盖在锥体的粗面质熔岩之上，表明天文峰期大规模爆炸喷发将锥体炸开，喷发物直接堆积在残余锥体上(图4a)。剖面中间主体部分为天文峰期喷发堆积物，上部为15～20m的黄色浮岩，浮岩粒径最大数十厘米，除岩屑外成分相对较纯，无杂质(粘土，植物碎屑等)等混合其中，具有典型的空降浮岩堆积特征，且固结度较好。层内可见大量的块状岩屑，主要为锥体部分爆炸产生的粗面岩碎屑，粒径最大达数米，也有部分岩屑为造盾阶段的玄武岩和基底花岗岩(图4b)。剖面中间存在1～2m的弱过渡带，颜色逐渐由浅黄色过渡到灰白色，浮岩与岩屑特征完全与上部黄色浮岩一致。下部为厚25～30m的灰白色浮岩，同样浮岩粒径与岩屑特征和上部黄色浮岩相一致，但致密性与固结度比黄色浮岩部分略好，可能与位于底部热量封闭和压实作用有关(图4a)。天文峰期堆积物整体上特征一致，仅上下两部分存在颜色的明显差异。

图4 天文峰期空降浮岩在不同剖面和位置的照片天文峰剖面下部灰白色浮岩(a)和上部黄色浮岩(b)； 黑石沟剖面下部灰白色浮岩(c)和上部黄色浮岩(d)，白色方块为黑石沟内部分全岩成分测试样品的采样点Fig.4 Photos of pumice fall deposit of Tianwenfeng eruption in different positions and sectionsGrey pumice fall deposit at the bottom of (a) and yellow pumice fall deposit at the upper part of (b) Tianwenfeng section; grey pumice fall deposit at the bottom of (c) and yellow pumice fall deposit at the upper part of (d) Heishigou section, white squares are the sample point for whole-rock geochemistry analysis

黑石沟剖面位于天池破火山口东15km的黑石沟内(图1点H)，剖面总高26m，地下开挖部分约4m。剖面底部为黑石沟期玄武岩，喷发时间测定为0.19±0.02Ma和0.18±0.05Ma(刘若新等, 1998; Panetal., 2020)。其上厚约2.6m的天文峰期空降浮岩直接压盖在黑石沟期玄武岩之上，固结度较弱，表明空降浮岩远离火口后降落时温度已相对较低，焊接能力有限。该层浮岩粒径多为1～3cm，相比天文峰剖面浮岩粒径明显变小。岩屑含量与天文峰剖面一致，含有大量的岩屑，包括灰黑色的锥体粗面岩，黑色的造盾玄武岩和斑状的基底花岗岩，多种岩屑造成剖面颜色整体混杂(图4c, d)。岩屑粒径相对较细，多小于1cm，表明喷发柱搬运能力已随距离降低。天文峰期空降浮岩层内浮岩颜色变化规律与天文峰剖面相一致，上部为黄色浮岩，厚约30～40cm(图4d)；中间部分厚约1.2～1.5m，为黄色与灰白色浮岩共存，并可见两种颜色共存的浮岩；下部为厚约1m的灰白色浮岩，未见混合色浮岩等的存在，保持了原始特征(图4c)。浮岩层之上为厚约2.9m的成层性风化堆积物，将千年大喷发空降浮岩与天文峰期空降浮岩分割开，表明两次喷发活动之间存在长期的间断，弥补了天文峰剖面无法将两者分隔开的不足。黑石沟整体剖面特征与描述详见Panetal. (2020)。

另外，剖面观察中还发现单个浮岩块内存在颜色过渡的现象。图5展示了一个大块浮岩切割开的剖面，其采集自天文峰剖面的上部黄色浮岩堆积内，样品自表面至中间部分长约20cm，可见明显的颜色自外侧黄色逐渐过渡到中心的灰白色，与整体天文峰剖面上部为黄色，下部为灰白色的特征相一致。同时，浮岩内在斑晶含量和气孔发育特征上，也未见区别，为整体一致的浮岩，因此推测颜色的变化可能为后期风化改造的。

图5 天文峰剖面中黄色浮岩堆积内的大块浮岩大块浮岩切割开可见外部为黄色，中芯部为灰白色，与整体剖面上部为黄色，下部为灰白色的特征一致，表明可能初始颜色一致，后期颜色逐渐发生了改变，白色方块为测试点Fig.5 Large block of pumice from the yellow part of deposit of Tianwenfeng eruption at Tianwenfeng sectionAfter the cutting of large block of pumice, the section shows that the exterior is yellow and the core is grey, and its characteristic is consist with the whole section of Tianwenfeng eruption, indicting the whole pumice is grey at initial forming stage but change to yellow in later. White squares are the analysis points

3.2 显微形貌观察

野外宏观上发现黄色浮岩与灰白色浮岩特征基本一致，室内进一步通过显微观察寻找颜色变化的原因。首先，偏光显微镜下对两种颜色浮岩的岩石薄片进行了观察，发现两种颜色浮岩结构基本一致，气孔大量发育，主要由纤细的火山玻璃和少量斑晶组成，表明喷发时具有大规模的爆炸性和高挥发份含量。但在火山玻璃壁或气孔壁上，发现了两者存在不同之处，如图6a-c。灰白色浮岩火山玻璃壁干净，结构清晰，镜下主要为灰黑色(图6a)，与千年大喷发空降浮岩特征相似；而天文峰黄色浮岩镜下火山玻璃同样为灰黑色，但部分边缘模糊，附着一层弱透明蝉翼状的黄色物质(图6b)；黑石沟内黄色浮岩镜下火山玻璃依然为灰黑色，但边缘清晰可见一层黄色附着物，厚度从几微米至十几微米，附着物颜色深度和致密度大于天文峰黄色浮岩(图6c)。通过镜下的观察，发现黄色浮岩和灰色浮岩的基质火山玻璃特征基本一致，主要区别在于火山玻璃表面是否存在黄色附着物，因此推测黄色附着物可能是改变浮岩颜色的关键因素。

图6 天文峰期内两种颜色浮岩镜下的显微形貌与特征(a)天文峰剖面灰白色浮岩：火山玻璃呈现灰黑色，边缘清晰；(b)天文峰剖面黄色浮岩：火山玻璃同样为灰黑色，但边缘模糊并呈现黄色；(c)黑石沟剖面黄色浮岩：火山玻璃依然为灰黑色，但可在边缘或气孔内发现明显的黄色附着物；(d)天文峰剖面灰白色浮岩BSE图像，可见火山玻璃边缘清晰，无附着物；(e)天文峰剖面黄色浮岩BSE图像，火山玻璃壁上可观察到1～3μm的锯齿状附着物；(f)黑石沟剖面黄色浮岩BSE图像，在火山玻璃壁上或气孔内明显可见一层附着物Fig.6 Micromorphology and characteristics of yellow and grey pumice from the Tianwenfeng eruption using the binocular microscope and electron microprobe(a) the grey pumice from the Tianwenfeng section exhibits the black glass with clear edge; (b) the yellow pumice from the Tianwenfeng section exhibits the black glass but with yellow blurry edge; (c) the yellow pumice from the Heishigou section also exhibits black glass but with obvious yellow attachments along the glass or pores; (d) the BSE image of grey pumice from the Tianwenfeng section exhibits the clear edge of glass without attachments; (e) the BSE image of yellow pumice from the Tianwenfeng section exhibits thin attachments layer adhere to the wall of glass; (f) the BSE image of yellow pumice from Heishigou section exhibits obvious attachments adhere to the wall of glass and pore

进一步的电子探针BSE图像观察也表明，灰白色浮岩的火山玻璃壁边缘界线清晰，无附着物等杂质，气孔内也未见充填物(图6d)；天文峰黄色浮岩的火山玻璃主体与灰白色浮岩相似，但局部边缘可见一层厚约1～3μm的附着物，附着物呈锯齿状较均匀的分布在部分玻璃壁上，气孔内未见明显的填充物质(图6e)；而黑石沟内黄色浮岩的火山玻璃主体未见明显变化，但在火山玻璃壁上可见明显一层厚3～7μm的附着物，局部气孔壁上富集厚度达十余微米(图6f)。基于BSE图像观察，进一步证实了火山玻璃是否存在黄色附着物是黄色和灰色浮岩的主要差别。

3.3 全岩成分测试

形貌观察发现火山玻璃壁上附着一层黄色物质，其可能是造成浮岩颜色不同的重要因素，但物质的组成与形成机制仍未知，因此进一步的成分测试试图寻找颜色变化的原因与机理。

全岩成分测试共选取10块岩石样品，5块浮岩样品自上向下取自天文峰剖面，包括4块黄色浮岩，1块灰色浮岩(图3，表1中T1-T5)；另外5块浮岩样品取自黑石沟剖面，同样为自上而下4块黄色浮岩，1块灰色浮岩(图4，表1中H1-H5)；测试结果见表1与图7。总体上，黑石沟剖面对应位置成分相比天文峰剖面存在低硅低钠而高铝高钙的特征(图7a, b)，同时烧失量和化合水(H2O+)含量也较高(图7c)，表明黑石沟剖面整体受后期风化淋滤作用大于天文峰剖面。而在同一剖面中，也发育有明显的规律性，顶部向下硅含量逐渐增高，而铝含量却逐步下降(图7a)，分析认为这与自然风化规律相一致，硅由于易与水结合形成硅酸析出而在淋滤中被带走，造成上部的浮岩中硅含量降低。而铝、铁和钙元素属于不易活动元素，易于富集而造成上部浮岩中含量升高(Middelburgetal., 1988; Kawano and Tomita, 1992; Hiradate and Wada, 2005)。其他元素的变化特征基本上呈相似规律，符合自然风化的特征。

表1 天文峰期喷发堆积物全岩主量(wt%)与微量(×10-6)元素分析结果

图7 位于天文峰剖面和黑石沟剖面的天文峰期喷发堆积物全岩成分投图样品取自天文峰剖面和黑石沟剖面的天文峰期喷发堆积物，自顶向下各取5块样品，全岩的主微量成分测试结果表明存在一定的变化趋势和不同之处，整体上黑石沟浮岩受风化淋滤影响大于天文峰剖面，同时剖面上部的风化淋滤程度大于下部浮岩，但整体上天文峰期喷发堆积物处于风化淋滤作用的初期阶段.(a) SiO2-Al2O3；(b) CaO-Fe2O3；(c) H2O-LOI；(d) Ba-Ti；(e) Ni-Cu；(f)全岩的球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(标准化值据Sun and McDonough, 1989)；图a, b数据已去除挥发份和H2O并标准化至100%Fig.7 Plot of geochemistry of whole rock for the deposit of Tianwenfeng eruption at Tianwenfeng and Heishigou sectionThe samples were collected from top to bottom in the deposit of Tianwenfeng eruption at Tianwenfeng and Heishigou section. The geochemical results of whole rock show the changing trend from top to bottom at different section. As a whole, the pumice at Heishigou section was more affected by weathering and leaching than the pumice at Tianwenfeng section, meanwhile the top of deposit was more affected than the bottom, however, the deposit including yellow pumice is still in the initial stage of weathering and leaching. (a) SiO2 vs. Al2O3; (b) CaO vs. Fe2O3; (c) H2O vs. LOI; (d) Ba vs. Ti; (e) Ni vs. Cu; (f) chondrite-normalized REE diagrams of the whole rock for Tianwenfeng eruption (normalization values after Sun and McDonough, 1989); Data in Fig.7a, b were normalized to 100%

全岩微量元素表现出的特征与主量元素特征相一致，同样展现出黑石沟内剖面风化程度高于天文峰剖面。在Ba-Ti分布图上，虽然天文峰剖面存在黄色浮岩比灰色浮岩相对富集的特征，但黑石沟内黄色浮岩相比更加具有富Ba与Ti的特征，这两种稳定元素的富集表明经历了一定的风化作用(段国正等, 2003)(图7d)。同样在Ni-Cu分布图上，也可以发现重金属的富集效应，上部经受风化淋滤作用的黄色浮岩大于底部的灰白色浮岩(图7e)。而稀土元素配分曲线呈现出基本一致特征，表明黄色浮岩与灰白色浮岩主要成分未发生明显变化，仅经历了较弱的风化淋滤作用，处于自然风化的初期阶段(Middelburgetal., 1988; 马英军等, 1999; 韩春兰等, 2017)(图7f)。

3.4 原位微区成分测试

原位微区成分测试是利用电子探针(EPMA)和激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)对火山玻璃和附着物进行主微量成分的测试。测试样品共分为三组，分别为天文峰上大块浮岩的内部灰白色部分和外部浅黄色部分，天文峰上部黄色浮岩与下部灰白色浮岩，和黑石沟内黄色浮岩与灰白色浮岩(表2、图8)。由于天文峰剖面黄色浮岩附着物厚度过薄(仅1～3μm)，未能进行有效的设点测试，仅测试了黑石沟内火山玻璃附着物。测试结果的分析以天文峰剖面下部的灰白色浮岩为参照，发现天文峰上部黄色浮岩部分的火山玻璃SiO2基本保持不变，略微呈现出高钙、高铝的特征，但整体变化较小(图8a, b)。同时对大块浮岩内部灰白色部分和外部黄色部分的火山玻璃成分测试表明内外一致，说明弱风化作用未造成天文峰上火山玻璃内元素的明显迁移。黑石沟内灰白色浮岩与天文峰黄色浮岩基本一致，表明虽然仍为灰白色，但依然受到较弱的风化淋滤影响。而黑石沟上部黄色浮岩的成分出现了一定的变化，且部分元素与壁上的附着物呈现出互补特征，如火山玻璃的SiO2略高而Al2O3略低，Si/Al比值约为7，而附着物明显的低SiO2而高Al2O3，Si/Al比值仅为1～2(图8c)，同样在CaO、TiO2等元素上具有相似特征。但FeO的含量上出现了均明显升高的特征，分析认为可能与铁的弱活动性有关，在析出和沉淀中都形成了富集，即在火山玻璃中Fe相对析出较少形成富集，而析出部分又由于不溶于水就近附着在火山玻璃壁上，在附着物中也相对富集(Kawano and Tomita, 1992; Hiradate and Wada, 2005)。另外，黄色浮岩内附着物的电子探针测试成分总量多为50%～85%之间(见表2中AMM测点数据)，表明其内含有大量的水，而水与氧化铁结合形成的水合物多呈黄色，这可能是附着物呈现黄色的主要原因。

图8 天文峰期空降浮岩内火山玻璃和附着物的EPMA和LA-ICP-MS测试结果投图对大块浮岩内侧灰白色部分(LA-In)与外侧黄色部分(LA-Out)，天文峰剖面下部灰白色浮岩(TWF-G)与上部黄色浮岩(TWF-Y)，黑石沟剖面下部灰白色浮岩(HSG-G)，上部黄色浮岩(HSG-Y)与火山玻璃壁附着物(AMM)分别进行了电子探针(EPMA)的主量元素测试和LA-ICP-MS的微量元素测试.测试结果揭示了火山玻璃内各元素在含水环境下的析出与沉淀过程.(a) SiO2-Al2O3；(b) CaO-FeO；(c) TiO2-Si/Al；(d) Ti-Y；(e) La/Yb-Ce；(f)火山玻璃与附着物的球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Plot of the geochemistry for the glass and attachments of the deposit of Tianwenfeng eruption determined by EPMA and LA-ICP-MSThe samples, including the inner (LA-In) and outer (LA-Out) of large pumice from Tianwenfeng section, the grey pumice (TWF-G) and yellow pumice (TWF-Y) at Tianwenfeng section and the grey pumice (HSG-G), yellow pumice (HSG-Y) and attachments material (AMM) at Heigshigou section, were determined by EPMA and LA-ICP-MS for major and trace elements. The results reveal the processes of the elemental separation from glass and elemental concentration on the wall of glass. (a) SiO2 vs. Al2O3; (b) CaO vs. FeO; (c) TiO2 vs. Si/Al; (d) Ti vs. Y; (e) La/Yb vs. Ce; (f) chondrite-normalized REE diagrams of the glass and attachment material (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

LA-ICP-MS的微量元素测试辅助判断浮岩经历的风化淋滤程度。天文峰上黄色浮岩与灰白色浮岩的火山玻璃成分基本一致，未发生元素的明显流失和富集。黑石沟中黄色浮岩与灰白色浮岩的火山玻璃成分一致，但相比天文峰浮岩发生了一定的成分变化，如Y、Ce元素含量发生了富集(Middelburgetal., 1988; 马英军和刘丛强, 1999)。而对于黄色浮岩内的附着物，部分元素发生了明显的变化，如Ti、Y和Ce等均发生了明显的富集，但稀土元素中La/Yb比值基本不变，说明风化程度依然较弱，未发生明显的元素的迁移(图8d, e)。另外，稀土元素的配分曲线展现出相似的形态，各类浮岩及附着物成分也均保持了一致(图8f)，未发生明显的元素迁移，说明黄色浮岩经历的风化淋滤作用仍处于初期阶段(Kawano and Tomita, 1992; Hiradate and Wada, 2005; 韩春兰等, 2013)。

4 讨论

4.1 天文峰期喷发特征

天文峰期喷发由于出露范围有限，仅出露在天池北侧天文峰之上，因此前人对此期关注和认识较少(刘嘉麒和王松山, 1982; 刘若新, 2000; 许建东等, 2013)。本文通过野外地质调查，室内薄片观察和成分测试等，对天文峰期喷发有了进一步的认识。首先，野外观察认为剖面中黄色浮岩与灰白色浮岩在粒度结构、斑晶组成、岩屑含量与组成、以及固结程度等方面均存在一致性，且火山玻璃成分虽存微小波动，但除去风化因素外总体仍具有一致性，因此认为黄色浮岩与灰白色浮岩应为同一期喷发堆积产物。其次，对于天文峰期喷发规模，天文峰处其浮岩堆积厚度大于40m，而千年大喷发(VEI=7)最厚堆积位于西坡老虎背处约20m，相比认为天文峰期喷发规模至少不亚于千年大喷发，是一次规模巨大的爆炸式喷发活动。另外，此套浮岩直接压盖在天池锥体和黑石沟期玄武岩之上，认为其应是天池火山爆炸式喷发阶段的开始，再加上较高的岩屑含量和大块围岩存在，可判断认为天文峰期应是形成天池破火山口的关键喷发(Panetal., 2020)。最后至于喷发时代，目前存在2ka、4ka、5ka和～50ka等不同的观点(刘若新等, 2000; Yangetal., 2014; Limetal., 2013; Sunetal., 2017)，本文未开展相关年代学测试，但从火山玻璃的风化程度和区域(低温)气候特征，以及区域内其上部覆盖的厚层风化堆积物推测此套喷发时代相对较老，倾向认同～50ka的喷发年龄。

4.2 浮岩颜色变化

浮岩颜色变化在爆炸喷发堆积层中是一种普遍现象，如千年大喷发下部为灰白色浮岩，而上部为灰黑色浮岩；意大利维苏威火山阿韦利诺喷发(Avellino eruption, 4ka BP)堆积的浮岩下部为白色，上部为灰色；这些浮岩颜色的变化经研究后均认为与地下层状岩浆房相关(Balcone-Boissardetal., 2012; Panetal., 2017)。深部基性岩浆到达浅部地壳岩浆房后开始分异演化，富Si少Fe、Mg的轻质岩浆上浮，而富Fe、Mg和矿物的岩浆下沉，逐渐形成分层的岩浆房。在喷发时，上部富Si的浅色岩浆先喷发降落，而下部深色富Fe、Mg的岩浆后喷发出而堆积在上部，形成了普遍的下部浅色浮岩，上部深色浮岩的堆积特征(Bacon and Druitt, 1988; Armientietal., 1994; 郭文峰等, 2015, 2016)。天文峰期喷发堆积也呈现两种颜色，但相比下部为灰白色(深色)，上部为浅黄色(浅色)，呈现了相反的堆积序列特征(图2)。而在成分测试中发现两者火山玻璃成分一致，未存在明显的岩浆分异演化特征。这些表明两种浮岩的颜色区别不是由于岩浆作用所导致的。另外，在大块黄色浮岩的中心部位依然可见残留的灰白色特征存在(图5)，表明后期的改变是造成颜色不同的主要原因，如风化、淋滤或蚀变等。研究否定了浮岩颜色变化与岩浆作用的关系。进一步利用显微形貌观察浮岩的内部结构，发现两者的火山玻璃结构一致，且颜色也均为灰黑色，但黄色浮岩的火山玻璃壁上粘附着一薄层黄色的物质；相比之下，灰白色浮岩的火山玻璃边缘清晰，未观察到附着物，因此认为裹在火山玻璃壁上的黄色物质是改变浮岩颜色的主要因素。通过黄色附着物的成分测试，发现其主要由Si、Al和Fe组成，而结晶水(H2O)含量高达20%～50%，说明黄色物质内存在多种水合物。Si与Al的水合物通常呈现白色或无色，而Fe与水的多种水合物呈黄色，如褐铁矿(2Fe2O3·3H2O)，磁铁矿(Fe2O3·2H2O)，针铁矿(Fe2O3·H2O)。因此认为浮岩颜色的改变主要为含有Fe水合物的黄色物质粘附所致，是一种风化淋滤作用的结果(熊毅, 1937; Yokoyama and Nakashima, 2005; Schwertmann and Murad, 1983; Oguchietal., 1999)。

4.3 火山喷发堆积物在风化淋滤初期的元素迁移特征

出露于地表的岩石均受到大自然的风化改造，火山喷发堆积物同样受到大自然不断的风化与蚀变等改造，这是一个复杂而多样的变化过程。风化的速率主要受温度、降水、植被和自身特征等所控制。同一块岩石，在温度高、降水多，植被发育的情况下风化速度相对快，否则反之。长白山火山地处温带大陆性山地气候，具有冬季漫长凛冽，夏季短暂温凉的特点，年均降水量达700mm，降水丰富，但多半时间被冰雪所覆盖，整体上属于风化作用较弱的区域(刘若新等, 1998)。另外，长白山地区还具有明显的山地垂直气候变化特征，例如天文峰期堆积物在天文峰和黑石沟两个地点的气候各异，风化速率也明显不同。天文峰剖面位于山顶，海拔约2700m，每年自9月份至次年6月份被冰雪所覆盖，7～8月份虽降水丰富，但温度依然较低，整体风化速度较慢(吕昕航等, 2016; 贾翔等, 2017)。而黑石沟位于山麓地带的沟谷内，冬春虽被冰封，但夏秋季节丰富的降水并相对的温暖，使其风化速度远大于天文峰处。这在全岩成分和火山玻璃的主微量测试中得到验证，如天文峰黄色浮岩的火山玻璃Si/Al比值(≈5)，这与灰色浮岩相比变化微小，而黑石沟内黄色浮岩的Si/Al比值(≈7)变化明显(图8c)。

另外，风化速度与堆积物自身性质也密切相关，爆炸喷发堆积的空降浮岩气孔大量发育，提供了较高的表面积，加速了风化速度，但又存在大量的微气孔形成了较好的吸附性，减弱了向下的渗透性(刘若新, 2000; 刘祥等, 2004; 许建东等, 2013)。天文峰期浮岩正是由于这种双重风化因素影响造成两种颜色的区别，上部受降水风化淋滤作用，在火山玻璃壁上形成一层黄色的水合物，呈现出黄色特征，而又受风化向下推进能力的限制，使下部至今仍未遭受风化淋滤作用，保持了原始的灰白色。由于目前对天文峰期喷发时间未知，无法算出风化的速率，但相信随着时间的推移，风化淋滤作用不断向下推进，最终天文峰期堆积物将会整体变为黄色。

风化中元素的迁移规律与特征可以在黄色浮岩颜色研究中窥见一斑。在降水为主要因素引起的风化淋滤中，Si与水结合形成硅酸，而空气中的CO2与水结合形成碳酸(H2CO3)，酸可与各类阳离子结合并将其溶出，如Al、Fe、Ca等阳离子(Dahlgrenetal., 1993; Gérardetal., 2007)。这一过程中虽然酸有限且析出缓慢，但日积月累不断的作用将最终使部分元素析出并沉淀下来(张秉良等, 2006, 2008)。显微形貌观察和微量元素配分曲线等综合判定天文峰期黄色浮岩属于风化的初期阶段，但依然可见元素析出与元素沉淀两个阶段的特点。通过火山玻璃的EPMA和LA-ICP-MS分析，发现黄色浮岩相比灰白色浮岩存在Al、Ca、K元素的减少，而Fe、Pb等金属元素出现了富集，说明元素的析出能力与元素自身的活动能力有关。而火山玻璃附着物的成分测试发现，Si、Na和K明显减少，而Ca、Al、Fe和Ti明显增多，这与元素和水的相容性相关，易溶于水的元素被水带走，而难溶的元素留下附着在火山玻璃壁上沉淀下来(Gérardetal., 2007; Moriizumietal., 2009; 南云等, 2016)。其中Fe的沉淀富集形成三氧化二铁水合物(黄色)，与Al和水形成的凝胶状水合物(白色)混合构成了黄色物质粘附在火山玻璃壁上，改变了原本灰白色浮岩的颜色，形成了黄色浮岩(Yokoyama and Nakashima, 2005; Schwertmann and Murad, 1983; Oguchietal., 1999)。这种由于后期风化淋滤作用而改变原始色所形成的黄色，应被归为次生色。

5 结论

本文针对天文峰期堆积浮岩中的黄色浮岩颜色成因问题进行了野外地质、显微形貌和地球化学等系统研究，主要获得的认识有：

(1)天文峰期喷发为一次大规模的爆炸式喷发，是天池火山爆炸式喷发阶段的开始，也是形成天池火山破火山口的关键喷发活动。此次喷发中岩浆性质均一，未发现岩浆混合和转换的现象，且未发现喷发间断现象。

(2)天文峰期黄色浮岩在堆积初始应为灰白色，与下部现存灰白色浮岩一致，但后期受降水与积雪融水的风化淋滤作用，形成了一层富含三氧化二铁水合物(Fe2O3·nH2O)的黄色凝胶状物质，粘附在火山玻璃壁上造成浮岩颜色变为黄色。目前，天文峰期堆积物处于风化淋滤作用的初期阶段，推测未来随着风化淋滤作用的不断向下发展，整套堆积物将来可能均为黄色。

(3)在风化淋滤过程中元素的迁移存在一定的规律性。浮岩的风化淋滤可分为两个过程，即析出和沉淀。析出为元素从浮岩中的火山玻璃内移出，这与元素自身活动性有关，如Si、Al、Ca和K等元素易于析出；沉淀作用与水的溶解度相关，易溶于水的元素多流失而含量变低，反之难溶的富集形成沉淀层，其中Al与Fe由于难溶于水而成为富集元素，并造成了浮岩颜色的改变。