内蒙中部辉腾锡勒第四纪火山群初步研究*

白志达 张进奎 史志伟 李天元.

中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083.

内蒙古东部新生代火山活动强度大，期次多，自始新世到全新世几乎都有火山喷发。尤其是第四纪以来的火山活动明显受北东向构造控制，北起诺敏河火山群，经阿尔山柴河火山群、锡林浩特阿巴嘎火山群、乌兰哈达火山群，南抵大同火山群并进入汾渭地堑，构成长约1500km的北东向第四纪火山喷发带(图1)。该带平行并紧邻大兴安岭-太行山重力梯度带展布(白志达等, 2012)。这条第四纪火山喷发带(黄镇国等, 1993)的喷发过程、形成机制对阐明大兴安岭-太行山重力梯度带的形成以及中国东部第四纪地质演化过程尤为重要(徐义刚和樊祺诚, 2015)。虽然近几年对该带第四纪火山的时空分布、火山类型、喷发过程以及环境等进行了较系统的研究(赵勇伟等, 2008; 白志达等, 2005, 2008, 2012; 王锡娇等, 2012; 张进奎等, 2019)，取得了一些进展，但总体研究程度仍相对薄弱，究竟包含多少座第四纪火山或者有多少座广义的活火山仍然是一个迷。随着近年来调查研究的深入，不时有新的发现。尤其是有些上覆在新近纪玄武岩之上的第四纪火山岩，以往多被笼统的归为新近纪火山岩。本文主要对该带西南段集宁北部广义的新近纪汉诺坝玄武岩中新识别出的第四纪辉腾锡勒火山群进行简述，为研究内蒙古东部第四纪火山喷发带乃至中国东部地壳深部结构、新构造活动、环境及火山灾害预警研究提供新的资料。广义的新近纪汉诺坝玄武岩(罗修泉和陈启桐, 1990)，西起集宁，向北东延伸经张北、围场到赤峰一带，分布面积约20000km2以上，构成蒙古高原的南缘。汉诺坝玄武岩在集宁地区称“集宁玄武岩”(内蒙古自治区地质矿产局, 1991)，下部以碱性玄武岩与拉斑玄武岩交替堆积为特征，上部主体为拉斑玄武岩。辉腾锡勒火山群因上覆在广义的汉诺坝玄武岩台地之上，以往将其归为新近纪汉诺坝玄武岩。尚未载入中国第四纪火山群名录(内蒙古自治区地质矿产局, 1991; 刘嘉麒, 1999; 刘若新, 2000; 中国地质调查局, 2004)。笔者2011年考察黄花沟地质公园时发现该处火山，并初步确定属第四纪火山(白志达等, 2011(1)白志达, 谭琳, 谭庆伟. 2011. 内蒙古察哈尔右翼中旗黄花沟地质公园综合考察报告)。2017、2018年进行了较系统的调查，张进奎(2019)完成了硕士学位论文。2019年对其火山喷发喷发序列，喷发方式、火山结构类型、火山喷发物成因相序及不同火山之间的相互关系等又进行了较详细的研究。

1 火山群基本特征

辉腾锡勒火山群位于蒙古高原南缘与阴山山脉北麓过渡区。处于内蒙古中部乌兰察布市卓资县、察哈尔右翼中旗和后旗交界处的辉腾锡勒高山草原区。火山构造上属大同-阿尔山-诺敏河第四纪火山喷发带南段(图1)。火山群坐落在太古宙变质岩系、二叠纪花岗岩和新近纪汉诺坝玄武岩之上。平面上呈低洼的菱形台地，四周为较高的山地，总面积约260km2(图2)，为玄武质火山。该火山群火山类型和数量较多，有一定规模，自成体系，其附近无较大地名，但以辉腾锡勒梁著名，故命名为“辉腾锡勒”火山群。

图1 中国东北部晚第四纪火山群分布示意图1-含全新世火山的第四纪火山群；2-晚第四纪火山群；3-辉腾锡勒火山群；4-主要区域断裂(据中国地质调查局, 2004)；5-地壳40km等深线；6-汾渭地堑；7-海洋、河流和湖泊；8-国界Fig.1 Distribution of Late Quaternary volcanoes in Northeast China1-Quaternary volcanic group with Holocene volcanoes; 2-Late Quaternary volcanic group; 3-Huitengxile volcanic group; 4-major regional faults (after Geological Survey Bureau of China, 2004); 5-40km depth contour of the crust; 6-Fenwei graben; 7-oceans, rivers and lakes; 8-national boundaries

该火山群中发育近百座第四纪火山(图2)。大多数火山地貌形态保存基本完整。火山产物主要为一套碱性橄榄玄武岩，次为溅落堆积的熔结角砾(集块)岩、降落堆积火山渣和基浪堆积的火山碎屑物。碱性玄武岩覆盖在晚更新世坡积物和黄土之上。火山活动的时代为第四纪。火山活动的阶段性明显，早期为裂隙-中心式喷发，火山喷发物主要分布在东部，岩相类型为溢流相熔岩流和溅落堆积相(长垣状溅落堤)；中期主要形成“地池式”和玛珥式火山，火山数量最多，呈北东向和北西向串珠状分布。火山堆积物遍布全区，火山形貌保存较完整，火口呈特征的圆形或椭圆形，大部分积水成湖，当地习称“九十九眼泉”或“海子”。晚期火山活动范围明显缩小，仅局限在玻璃脑包和明珠脑包等地，以熔浆的溢流为主，形成结构完整的玄武质盾片状火山(Browneetal., 2017)。

图2 辉腾锡勒第四纪火山群地质略图1-全新世冲积物；2-晚更新世第三期含巨晶玄武岩；3-晚更新世第二期碱性玄武岩；4-晚更新世第一期碱性玄武岩；5-汉诺坝拉斑玄武岩；6-集宁群变质岩系；7-二叠纪花岗岩；8-溅(降)落火山锥；9-“地池”式火山口；10-玛珥式火山；11-性质不明海子；12-残留火山溅落堆；13-塌陷坑；14-溅落堤；15-熔岩流流向Fig.2 Geological sketch map of Quaternary volcanic cluster in Huitengxile1-Holocene alluvium; 2-the third stage megacryst basalt of the Late Pleistocene; 3-the second stage alkali basalt of the Late Pleistocene; 4-the first stage alkali basalt of the Late Pleistocene; 5-Hannuoba tholeiite; 6-metamorphic rock series of Jining group; 7-Permian granite; 8-Spatter (Falling) cone; 9-“Dichi-type” crater; 10-Maar volcano; 11-“Haizi” of unknown nature; 12-residual spatter pile; 13-collapse pit; 14-spatter rampart; 15-the flow direction of lava flow

2 火山喷发时代与期次

火山喷发具体时代的确定，同位素测年是最直接的方法，但对晚更新世以来喷发的火山岩精确的测年样品常难获得，火山岩本身采用不同测年方法都有一定局限性。本文主要依据火山地质特征确定相对喷发时代，然后据火山形貌特征、结构组成以及火山锥体的风化降解程度等划分火山喷发期次。地层的叠置关系是确定地质体相对时代的直接证据。在辉腾锡勒旗枪海子西南侧公路旁发现碱性橄榄玄武岩直接覆盖在黄土层之上(图3)。黄土与玄武岩接触处发育厚约1～3cm的砖红色烘烤层。该黄土层呈黄褐色，发育垂直节理，含有Myospalax fontanieri等动植物化石。古土壤热释光测年和14C测年结果分别为8×104～3.5×104a和2.3×104±1500a(内蒙古自治区地质矿产局, 1991)，属上更新统马兰组。辉腾锡勒玄武岩覆盖在马兰组黄土之上，表明火山形貌相对完好的这套火山岩属第四纪火山活动产物，且主体应为晚更新世。辉腾锡勒火山群的火山岩与汉诺坝玄武岩还有较多差异。汉诺坝期虽是中国东部新生代火山活动的高潮期，但由于喷发时代相对较早，遭受风化剥蚀也强，其火山口及火山锥都被剥蚀的荡然无存，也很少能找到近火口相的溅落或降落堆积火山碎屑岩。以往研究表明汉诺坝玄武岩之上分布的火山锥或火山口，基本都是第四纪火山(白志达等, 2012)。辉腾锡勒火山地貌形态保存尚好，应属第四纪火山。就第四纪火山而言，火山的形貌特征也能反映火山喷发的相对序次。在风化剥蚀作用下，形成时代不同的火山，其锥体形态常会发生不同程度的变化。一般来说，喷发时代越新，火山锥降解程度越低，火山机构保存越完整(魏海泉等, 1999; 赵勇伟等, 2008; 白志达等, 2012; Singh and Bartlett, 2018)。如锥体表面随时间的推移多出现深度不同的冲蚀沟、锥体高度逐渐变低、坡度变缓，甚至锥体消失(张进奎等, 2019)。在内蒙古中东部第四纪火山中，火山锥体降解程度与火山喷发时代具有明显的线性关系。形成于晚更新世以前的火山，其锥体均遭受较强的剥蚀，许多仅残留锥体根部的溅落或降落堆积物，地貌标志已不明显。火山锥体形态较清晰的火山基本都是晚更新世以来形成的(赵勇伟等, 2008; 白志达等, 2012)。辉腾锡勒火山的地貌特征明显，火山结构完整，表明其喷发时代应为晚更新世。玄武岩杏仁体的发育与否也是间接判别喷发时代的岩石学标志之一。以往研究发现晚更新世晚期和全新世玄武岩几乎不发育杏仁体，而时代较老的玄武岩则杏仁体发育(白志达等, 2008)，这可能是火山喷发期与喷发期后热液活动存在一定时差所为，许多火山热液矿床的成矿期总是滞后成岩期一段时间也是这种时差存在的一种佐证。辉腾锡勒地区新近纪汉诺坝期主要为一套拉斑玄武岩，玄武岩杏仁状构造发育。辉腾锡勒第四纪火山岩主要是碱性橄榄玄武岩，岩石含二辉橄榄岩包体和辉石、歪长石巨晶，气孔发育，但很少见杏仁体。

图3 公路边玄武岩与晚更新世黄土接触关系Fig.3 The contact relation between basalt and Late Pleistocene loess near the highway

根据火山及喷发产物之间的覆盖关系，进一步可大致分为早、中、晚三个喷发时期。早期：主要为裂隙式和裂隙-中心式喷发，主要表现为溅落堤和残留的溅落锥根部堆积，盾片状火山上已形成深切的放射状沟谷，以东南隅的三盖脑包火山为代表(图2)，该火山上已发育特征的放射状冲沟，喷火口周围仅残留少量溅落堆积。中期是火山活动的主要时期，火山喷发方式为中心式，形成众多的“地池式”和玛珥式火山，火山产物覆盖在早期玄武岩之上(图2)。晚期火山喷发方式以岩浆溢流为主，形成典型的盾片状火山，以玻璃脑包火山为代表。火山规模较大，溅落锥与火口保存尚好，盾片状火山上基本不发育冲蚀槽。喷溢的玄武岩覆盖在早、中期玄武岩之上。个别注入“地池”和玛珥式火口(图2)。

上述地层的叠置关系、火山形貌特征、风化剥蚀程度以及岩石特征等表明，辉腾锡勒属第四纪火山群，与新近纪喷发的汉诺坝玄武岩截然不同。

3 火山类型

火山类型反映了火山喷发的物理条件。不同划分标准，可划分出不同的类型(Williams and McBirney, 1979)。辉腾锡勒第四纪火山群火山数量较多，喷发旋回性明显。火山喷发方式以溢流为主，次为岩浆弱爆发和射汽-岩浆爆发。依据喷发方式、火山形态和火山的结构组成特征，该火山群的火山可分为裂隙式和中心式。裂隙式火山以溅落堤的发育为标志。中心式火山包括盾片状火山、“地池式”火山和玛珥式火山。关于“地池式”火山，是在阿尔山火山群内相对于“天池”火山而提出的(白志达等, 2005)。所谓“地池式”火山，火口周围发育近火口相的溅落堆积，这标志着火口的存在，其上又被熔岩覆盖，但锥体不明显，火口清晰，火口总体低于当地地平面，又多积水成湖，故称“地池”式火山。火山活动规模小，其喷发方式和规模不同于夏威夷式火山，也有别于斯通博利式火山。地池式火山开始活动多表现为弱的爆发，形成少量溅落堆积，在尚未构成明显锥体时，活动方式转为熔浆的溢流，熔浆从火口向周围漫溢，覆盖在溅落堆积物上，随着岩浆涌出趋缓，直至停息，在火口之上形成低缓的熔岩穹丘(或称熔岩帐篷)，最后随火山通道内岩浆的冷却收缩，使火口中岩浆被抽空，造成熔岩“帐篷”塌陷，形成形态相对规则的“地池”式火口。故本文将这种规模小，又不同于其它类型的火山仍称“地池”式火山。这是一客观的火山地质现象，对其成因机制还有待深入研究。本文仍是抛砖引玉，希望更多火山学者去研究其喷发机制。

图4 变电站溅落和降落堆积物剖面(上部)Fig.4 The section of sputtering and falling deposits near the electric substation

3.1 裂隙式火山

分布在火山群东部，裂隙通道表现为北东向带状展布的溅落堤。出露长约4.2km，北东端被晚期玻璃脑包盾片状火山玄武岩覆盖。宽约60～150m，相对高度约20m(图2)。溅落堤主要由溅落堆积的砖红色熔结集块岩和熔结角砾岩组成(图4)，脊部堆积厚度大，向两侧逐渐减薄。上部堆积物中可见夹有薄层降落堆积的火山渣和火山灰(图4)，反映爆发强度具有阶段性变化。溅落堤堆积物脊部产状近水平，两侧向外缓倾，总体呈拱形。熔结集块岩的熔结程度(曹园园等, 2013)变化大，强熔结集块岩具有流动痕迹，多见包卷大量火山渣，反映塑性岩浆团块、熔岩饼和火山弹堆积在斜坡后，在重力作用下发生过二次流动搬运。溅落堤以外为溢流相碱性橄榄玄武岩，由多个岩流单元构成，熔岩覆盖在基底岩石之上。

3.2 中心式火山

辉腾锡勒火山群中心式喷发最为发育，火山数量多，规模不一，形态各异(图2)。主要包括较大的盾片状火山、低缓的“地池式”火山和玛珥式火山，以地池式火山最为发育。

盾片状火山 主要为晚期喷发的产物，均为单成因火山(魏海泉等, 1999)，包括玻璃脑包、明珠脑包和羊圈脑包火山，以玻璃脑包最具代表性(图2)。火山形态完整，总体呈椭圆形熔岩盾片，短轴直径约1720m，长轴直径为5667m，熔岩盾片坡角为6°～15°，相对高度为265m。火口位于山顶，形态近圆形，直径约260m。火口深度为14m，呈浅碗状，喷火口直径约为100m。原有积水，形成“火口天池”，现积水的痕迹仍然清晰，最低处也见少量残留水体，具当地人称，由于近年来风电的建设和局部气候的变化，较多的“海子”趋于干涸，这个“天池”也基本干涸。火口周围为后期喷泉式溅落堆积的砖红色熔结集块岩，构成溅落锥(Némethetal., 2003)。盾片体由含二辉橄榄岩包体和辉石巨晶的碱性玄武岩组成，熔岩流类型主体为结壳熔岩(Andersonetal., 1999)。该火山的玄武岩覆盖在周围的溅落堤和玛珥式火山之上(图2)。

“地池”式火山 该类火山最为发育(图2)，其特点是火山锥地貌上不明显，火口低于当地地平面，为负地形，火口直径一般为100～350m，小者仅几十米。火口深度一般15～25m，多数火口底平缓，形态上酷似玛珥式火山，通常也积水成湖，故常被误认为是玛珥式火山。有些呈漏斗状火口，内缘坡度陡至30°～55°，深度可达60m。鉴别火山类型最直接、最可靠的标志是喷发物的类型，玛珥式火山是射汽-岩浆爆发的产物，低缓的火山锥由基浪堆积物构成，堆积物主要是由基底岩石碎屑和岩浆碎屑组成的火山砂，以异常发育的平行层理、低角度交错层理以及层理下陷等构造为特征(Cas and Wright, 1987; White and Ross, 2011; Lorenz, 2007; 徐德兵等, 2005)。本区地池式火山虽然形态上与玛珥式火山相似。但不发育射汽-岩浆爆发的基浪堆积物，而堆积物是岩浆弱爆发的溅落堆积熔结集块岩和少量降落堆积的粗火山渣，火山碎屑物之上覆盖的是熔岩流，故不属玛珥式火山，可称“地池”式火山。如大浪刷海子北东“地池式”火山，低缓锥体下部主要为溅落、降落的火山渣，上部为熔岩流(图5)。又如外事度假村东南边“地池式”火山(图6)。火口近圆形，直径约180m，深约40m，由采石场施工揭露的低缓锥体剖面显示，下部为玄武岩。中部主要为降落、溅落堆积的火山碎屑物，其中溅落堆积的集块级熔岩饼、熔岩团块和塑变的火山弹含量很高。顶部又被熔岩流覆盖。熔岩流范围也很小，长度多不超过2km，从整个火山的喷发规模来看，与斯通博利式和夏威夷式喷发都有明显区别。火山喷发以溢流为主，火山碎屑堆积很少，喷发物的体积很小，火山活动的阶段性或韵律性不明显，活动的时限很短，现存的火口可能是原火口之上的熔岩穹丘塌陷的结果。

图5 大浪刷海子北东“地池式”火山剖面图1-变质岩基底；2-火山渣；3-熔岩流；4-沉积沙泥Fig.5 The section of “Dichi-type” volcano in Dalangshua Haizi1-metamorphic basement; 2-volcanic cinder; 3-lava flow; 4-sand and mud deposits

图6 外事度假村“地池式”火山剖面图1-碱性玄武岩；2-火山碎屑物；3-水体Fig.6 The section of “Dichi-type” volcano in foreign affairs resort1-alkali basalt; 2-pyroclastics; 3-water

玛珥式火山 玛珥式火山是由射汽或射汽-岩浆爆炸作用所产生的基浪堆积物构成的火山类型，火口积水成湖后，又称玛珥湖(刘嘉麒, 1999; 储国强和刘嘉麒, 2018; 白志达等, 2006)。内蒙古中东部的玛珥式火山较多(王锡娇等, 2012; 张进奎等, 2019)。反映射汽-岩浆爆发是内蒙东部第四纪火山喷发带的主要活动方式之一。辉腾锡勒火山群众多海子，形态虽像玛珥式火山，但多数为地池式火山。代表性玛珥式火山有大浪刷海子、大贾家海子和西碱海子等(图2)。如西碱海子火山，位于火山群南侧，低矮的火山锥体半径约800m，相对高度约10m。锥体顶部被玄武岩覆盖。火口呈椭圆形，长、短轴直径分别为750m和580m，深约30m。火口内壁可见基浪堆积物的局部剖面，主要为褐黄色火山砂，火山砂成分为基底变质岩碎屑和玄武质岩浆碎屑，玄武质火山渣的含量变化较大，剖分层可达60%～70%，可见涌浪堆积的平行层理和斜层理(图7)。大浪刷海子是该火山群内最大的玛珥湖，火口直径约1200m，湖水也基本干涸，仅残留少量水体，露出的火口底部异常平坦，其东南侧见零星出露的基浪堆积物。

图7 西碱海子玛珥火口内缘基浪堆积Fig.7 Base-surge deposits at the inner rim of the Maar crater of Xijian “Haizi”

4 火山喷发过程

辉腾锡勒火山群火山类型较多，火山活动大体可分为三个喷发阶段。第一阶段早期主要沿北东向基底断裂喷溢，形成裂隙式火山。晚期随着活动强度的减低以及岩浆供给的减少，由线形喷溢收缩为点式喷发，形成三盖脑包盾片状火山。第二阶段是火山群活动的鼎盛时期，火山产物遍布火山群，在北东和北西向断裂的控制下，形成众多的地池式火山和玛珥式火山。火山活动首先是岩浆的溢流和弱爆发，有些火山是先弱爆发后溢流，而另一些火山则是表现先溢流后弱爆发。形成地池式火山后火山活动有短暂的停息。随后火山再次活动时在部分地池火口下由于水与岩浆相互作用发生射汽-岩浆爆发，形成基浪堆积的玛珥式火山。随着水的耗尽和岩浆溢出率的提高，射汽-岩浆爆发作用被抑制，火山活动又转变为岩浆的喷溢，玄武岩覆盖在基浪堆积物之上。第三阶段火山活动明显减弱，仅有几个中心式喷发，形成如玻璃脑包的盾片状火山。火山活动首先是熔浆的溢流，当岩浆供给不足以及喷发后期岩浆中挥发分不断聚集时，火山活动转为弱爆发的溅落式堆积，形成小规模的溅落火山锥。最后由于滞留在火山通道中的岩浆冷却固结，堵塞火山通道，使火山活动结束。

由上所述，辉腾锡勒火山群火山活动经历了早期的裂隙式和裂隙-中心式喷发、中期的中心式岩浆喷溢和射汽-岩浆爆发到晚期的岩浆溢流及弱爆发的演化过程。反映了火山岩浆的聚集上升、停息以及岩浆与水相互作用的变化过程。

5 讨论

图8 辉腾梁海子航拍图Fig.8 Aerial view of Huitengliang “Haizi”

辉腾锡勒火山群是从汉诺坝玄武岩台地之上解体出的第四纪火山群。属大同-阿尔山-诺敏河第四纪火山喷发带。该喷发带内不同火山群都具有多期活动的特点，且绝大多数存在全新世火山，亦即存在广义的活火山。依据地质和火山形貌特征，初步确定辉腾锡勒火山群的喷发时代为第四纪，且主体为晚更新世，但缺乏同位素年龄的约束，具体活动时限及喷发周期性不清。是否存在更新的火山还有待进一步研究。如晚期的玻璃脑包火山，火山地貌完好，剥蚀降解程度低，盾片状锥体上不发育侵蚀沟槽。据当地牧民介绍，每年冬季当火山四周都积聚厚厚冰雪时，其火口处不会积雪结冰，还会有热气不断冒出，表明该火山可能仍有一定活动性。这是值得关注的信息，对了解新构造活动、环境及灾害预警有重要的意义。另外，在集宁、张北、围场、赤峰一带分布面积约两万多平方千米的广义新近纪汉诺坝玄武岩台地上，高精度火山喷发序列的建立还有待完善，区域上是否还有第四纪玄武岩甚至全新世火山是火山地质学家和地球物理学家值得关注的重要课题之一。

据不完全统计辉腾锡勒火山群内的海子(小湖泊)至少有140多个。形态大多数近圆形，在空中俯视尤为清晰(图8)。初步调查确定有些是火口湖，有些是塌陷坑，但多数成因不明，可能还有其它成因(如冰蚀湖等)，对其深入研究的意义不言而喻。由于研究程度所限，本文对多数海子的成因注明不清(图2)。望有兴趣的地质学家进行深入探究，为新构造活动、环境与灾害的预警研究提供更多基础性资料。

6 结论

由上所述，可获得如下结论：

(1)辉腾锡勒火山群是在新近纪汉诺坝玄武岩台地中新解体确定的第四纪火山群。地质特征和火山形貌特征表明，其主要喷发期为晚更新世，可进一步分为早、中、晚三个喷发阶段。这为研究蒙古高原南部和中国东部地壳深部结构及其活动性提供了又一个天然窗口。

(2)火山喷发物主要为碱性橄榄玄武岩，次为溅落、降落堆积的火山碎屑物(岩)和基浪堆积的火山砂。火山类型包括裂隙式和中心式。早期为裂隙式和裂隙-中心式喷溢；中期形成中心式“地池”式和玛珥式火山，这些火口大部分积水成湖，当地习称“海子”或“九十九眼泉”，是重要的旅游资源；晚期形成规模较大的盾片状火山。

(3)早期火山作用为沿裂隙的岩浆喷溢；中期为中心式岩浆喷溢和射汽-岩浆爆发；晚期为中心式岩浆喷溢；火山作用方式的变化反映了火山活动经历了岩浆聚集上升、喷溢爆发、喷发间歇以及岩浆与水相互作用的复杂过程。