广西北海涠洲岛火山最后喷发活动时代*

许建东 于红梅 赵波 李建平 魏费翔 周斌 潘波 黄国华

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. 中国地震局地震与火山灾害重点实验室，北京 1000293. 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，北京 1000294. 广西壮族自治区地震局，南宁 530022

广西北海涠洲岛距北海市南21海里，总面积约25km2，是我国最大的第四纪火山岩海岛。涠洲岛火山的早期研究可追溯到20世纪80年代，广西壮族自治区地质矿产局(1985)通过钻孔资料研究，将涠洲岛火山活动划分为早、中、晚更新世三个喷发旋回：第一旋回早更新世火山岩主要发育在涠洲岛中部，以夹层的形式产于湛江组地层之间，向南北方向薄；第二旋回中更新世是规模最大的一次火山活动，以广布全岛的玄武岩熔岩为主，在涠洲岛中部厚，向四周变薄，在涠洲岛环岛潮间带也有分布；第三旋回晚更新世以溢流式岩浆喷发和射汽岩浆喷发为主。近些年来，又有一些研究者通过开展系列的火山岩同位素测年，结合火山岩地质与地球化学特征，在前人成果的基础上，将涠洲岛火山活动历史重新划分为早-中更新世(1.42～0.49Ma)和晚更新世末期(36～33ka)两期，早-中更新世溢流玄武质熔岩盾造就了涠洲岛的雏形，晚更新世末期射汽岩浆喷发间有岩浆喷发，形成典型的低平火山口和巨厚基浪堆积，之后的海蚀作用形成了涠洲岛的现代地貌景观(图1)(李昌年等, 2005; 樊祺诚等, 2006a, b; 孙谦等, 2006)。涠洲岛火山的地质活动历史到目前为止已有了基本共识，但是火山最后喷发活动时代的问题还缺乏明确结论。火山喷发危险性预测与潜在火山灾害风险评估的实践中，火山最后一次喷发时间作为火山灾害风险评估的核心指标之一，越来越引起火山学者们和重大工程决策者们的关注。

图1 涠洲岛火山地质简图与采样点分布(据樊祺诚等, 2006b)Fig.1 Simplified geologic map and the sampling locations of Weizhou Island volcano (after Fan et al., 2006b)

涠洲岛周围数百千米范围内目前存在着建设中的核电厂，也有数个潜在的核电厂候选场址，因此，对于涠洲岛火山未来喷发活动产生的火山灾害的影响范围的评估，具有重要的科学实践意义。本项研究对涠洲岛火山晚更新世以来喷发物进行了野外地质调查，系统采集了喷发物年代学样品并进行了电子自旋共振(ESR)测年，结合前人相关研究成果，确定了最后一次火山活动的时代，为涠洲岛火山未来潜在火山灾害评估提供了年代学依据。

1 野外地质调查与样品采集

涠洲岛火山晚期喷发活动主要集中在涠洲岛南部南湾火山口地区，以射汽岩浆喷发形成的火山碎屑为代表。南湾火山口近圆形，直径约2km(图1)，火山口的南面被海浪冲蚀已尽,形成现今的半环状港湾——南湾。在火山垣的东、北、西三面均是近似于直立的陡崖，主要由射汽岩浆喷发的基浪堆积物组成,其间夹有各种火山角砾、岩块和火山弹，高达50～80m，基浪堆积中发现的低角度交错层理、爬升层理和增生火山砾等都具有典型的射汽喷发成因，所以南湾火山是一座大型射汽岩浆喷发的火山。更新世南湾火山射汽岩浆喷发则重塑了涠洲岛现代火山地貌景观。典型喷发堆积物出露点的地质特征详见图2。

南湾鳄鱼嘴剖面WZ-1(图2a)，GPS坐标为21°0′45.67″N、109°5′58.06″E。火山堆积物发育有基浪层理、熔岩饼、火山弹，为近火口相溅落堆积物。

南湾火口北侧天后宫后院剖面WZ-2(图2b)，GPS坐标为21°1′46″N、109°6′1.34″E。巨厚层基浪堆积物、火山渣以及溅落堆积物，从上到下依次为：(1)基浪堆积物，2m厚，顶部已经风化；(2)上部为灰黑色火山弹、火山渣以及溅落堆积物，2m厚，非连续分布。下部为土黄色火山渣层，2m厚。本层均为岩浆爆破式喷发的产物，早期的炙热的火山渣与水发生作用，表面橙玄玻化，形成土黄色，后期水作用减弱，火山渣为灰黑色；(3)基浪堆积物，出露厚度18m，交错层理斜层理发育。

图2 南湾火口周缘典型喷发物堆积物发育特征与年代学样品采集点(a)南湾鳄鱼嘴 WZ-1剖面照片；(b)南湾天后宫后院WZ-2剖面照片；(c)猪仔岛WZ-7剖面照片；(d)五彩滩WZ-8剖面照片及素描图；(e)南湾火口东侧海边WZ-10剖面照片及素描图Fig.2 Typical outcrops of the eruption deposits surround Nanwan crater and locations of the dating sampling sites(a) Section WZ-1 in the Eyuzui of Nanwan crater; (b) Section WZ-2 in the Mazu Temple back yard of Nanwan crater; (c) Section WZ-7 in the Zhuzai island of Nanwan crater; (d) Section WZ-8 near the Wucai beach of Weizhou Island; (e) Section WZ-10 in the east of Nanwan crater

猪仔岛WZ-7剖面(图2c)，GPS坐标为21°1′13.99″N、109°6′34.77″E。剖面从上到下依次为：(1)基浪堆积物，厚度3m，发育交错层理、斜层理；(2)近火口相的堆积物，上部为灰黑色火山渣、火山弹和熔岩饼等，厚度2m，下部为土黄色火山渣，厚度2.2m；(3)基浪堆积物，厚度3m，发育交错层理、斜层理，未见底。该剖面与天宫后院剖面相似，反映了南湾火山由射汽岩浆喷发，到岩浆爆破式喷发，最后到射汽岩浆喷发的活动过程。

南湾火口东侧五彩滩WZ-8剖面(图2d)，GPS坐标为21°1′27″N、109°7′33″E。剖面上部分为风化层，在风化层底部取样品WZ-8-1；下部为基浪堆积物地层，交错层理和斜层理发育。该部分可以细分为5层，从上往下依次为灰黑色基浪堆积地层-土黄色基浪堆积地层-灰黑色基浪堆积地层-土黄色基浪堆积地层-灰黑色基浪堆积地层，地层颜色的不同主要由碎屑成分不同造成，含有岩浆碎屑和玄武岩围岩碎屑多的地层颜色显灰黑色，反之为土黄色。

南湾火口东侧海边WZ-10剖面(图2e)，GPS坐标为21°1′25.06″N、109°6′40″E。火山基浪堆积物地层，交错层理和斜层理发育，上部发育风化层，从上往下依次取样，WZ-10-1、WZ-10-2、WZ-10-3、WZ-10-4和WZ-10-5，共5个样品。

综合上述南湾地区地层典型剖面火山堆积物发育特征可以看出：南湾地区火山活动早期主要为射汽岩浆爆破式喷发，喷发产物为基浪堆积物；中期为岩浆爆破式喷发，主要产物为火山渣以及溅落堆积物；后期为射汽岩浆爆破式喷发，喷发产物仍然为基浪堆积物，规模小；末期为弱爆破式喷发，喷发产物是溅落堆积物，规模小，喷发不是很连续，仅在鳄鱼嘴附近有出露。火山喷发物影响的范围仅局限火口附近。从火山地貌上来看，南湾火山不仅仅是一个南湾火口组成，很可能是由多个火口组成。

2 样品年代学测试与分析

国内外许多学者开展火山烘烤层和火山碎屑物的测年研究已有几十年的历史，其方法包括14C、光释光(OSL)和电子自旋共振(ESR)法等。ESR法是测定火山烘烤层和火山碎屑物的一种十分有效的测年技术手段，ESR测年技术自身近年来经过实验研究不断完善，在碎屑沉积物的测年精度和准度方面也取得了较大进展(刘春茹等, 2013)，特别是对火山碎屑物质测年也不乏多个成功实例(Toyodaetal., 2006, 2009; Asagoeetal., 2011; 尹功明等, 2013)，它弥补了其它两种测年方法地质时代的间断连接，对于研究火山活动历史发挥了重要作用。本次研究在对涠洲岛火山详细野外勘察的基础上，从涠洲岛东部五彩滩和南湾火口东侧火山射汽岩浆喷发形成的火山碎屑层中的上部，分别采到风化土和多个土黄色火山基浪堆积物样品(图2d, e)，在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成了样品的前期处理和分析测试。

2.1 ESR样品前处理与石英颗粒辐照

在实验室内，根据样品性状不同取一定数量的原样品称重，选出100～200μm粒径的样品；用双氧水浸泡处理去除样品中的有机质；用盐酸浸泡处理去除样品中碳酸盐类；氢氟酸侵泡处理(蚀刻)去除长石矿物及石英颗粒外部α辐射贡献的表层部分。蒸馏水冲洗并低温烘干，通过磁选去除磁性矿物；最后，在显微镜下作矿物鉴定，获取石英颗粒。每个样品称小样10等份(每份称重0.25g)，分别接受不同附加辐照剂量，辐照剂量范围为0～4000G。本次辐照在北京大学放射化学院钴源实验室用辐射源(60Co)完成。

2.2 样品测试与ESR年龄结果

样品测试采用德国布鲁克公司生产的EMX BRUKER X-Band ESR波谱仪，在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室的ESR实验室完成。石英Ge心ESR信号测量参数：测量功率2.0mW；微波频率9.8GHz；中心磁场3520G；扫场宽度50G；转换时间5.12ms。时间常数40.96ms。随着附加辐照剂量的增加，Ge信号强度也随之增大。所有样品均在相同条件下测量3个不同方向上的信号，取平均值作为该样品的ESR信号强度。根据ESR信号测量结果带入计算软件，计算出古剂量。

环境剂量率测量是电子自旋共振测年的重要参数之一，样品所吸收的环境辐射剂量是其本身及周围物质中放射性核素(U238、TH232和K40)的α、β和γ衰变产生的电离辐射所提供的，同时也有宇宙射线的少量贡献。样品埋藏层的水含量，对样品所接收的剂量率也有不可忽视的影响。水对α、β和γ辐射有一定的吸收作用，根据样品的铀、钍、钾含量和样品埋深宇宙射线的贡献及含水量等参数，计算出样品环境剂量(年剂量)。

在获得上述各参数的基础上，可计算得出样品的ESR年龄。本次研究样品的测量参数和计算结果见表1。

表1 基浪堆积物和风化土ESR测年结果

由表1可以看出5个样品ESR测量信号较好，样品年龄结果±误差为10%～20%。火山基浪堆积物上覆风化土的ESR年龄为7.7±1.54ka，而4个基浪堆积物ESR年龄在误差范围内基本一致，平均为19.5±3.73ka。

2.3 光释光(OSL)年龄与涠洲岛火山最后喷发时间

在过去的工作中，已有研究者(樊祺诚等, 2006a)曾从南湾火山射汽岩浆喷发形成的约60m高的陡崖上、下两层火山碎屑层中，分别采到了灰白色粗砂岩和砖红色细砂岩，2个样品均为被喷出的火山碎屑岩捕获并胶结烘烤的砂岩捕虏体样品。根据光释光(OSL)测年结果(表2)，上、下两层火山碎屑岩中砂岩的捕获年龄为晚更新世末期(分别为33.7±1.8ka和33.7±0.4ka)。

表2 南湾火山岩中砂岩捕虏体岩性和光释光(OSL)测年结果(引自樊祺诚等, 2006a)

综合涠洲岛基浪堆积物与风化土ESR测年和砂岩捕虏体光释光(OSL)测年，认为南湾火山最后一次喷发发生在距今1.3～3.3万年的晚更新世末期。

3 主要认识与结论

涠洲岛火山活动可分为两期，早期为早-中更新世(1.42～0.49Ma)玄武质熔岩溢流式喷发，形成了涠洲岛的雏形；晚期为晚更新世末期(33～13ka)射汽岩浆喷发和少量岩浆喷发，形成以南湾为代表的典型低平火山口和巨厚基浪堆积。综合ESR和OSL测年结果，最后一次喷发的时间为晚更新世晚期至全新世早期，距今约13～33ka。