第21卷第3期(360~368)
2005年9月
中国地震
EARTHQUAKE
RESEARCHINCHINA
V01.2lNo.3
Sep.2005
[文章编号】1001.4683(2005)03.360.09
镜泊湖全新世火山喷发特征
陈洪洲马宝君高峰
黑龙江省地震局,哈尔滨市南岗区鸿翔路24号150090
摘要本文概述镜泊湖全新世火山机构,并对其喷发类型、喷发方式及火山碎屑基浪堆积
等特征进行讨论,指出镜泊湖全新世火山属于单成因火山;从喷发方式上看,它不属于中心式喷
发,而是裂隙式喷发;火山碎屑基浪堆积的发现,否定了以往人们将火山渣层中花岗岩碎屑的成
因认定是外动力地质作用的结果,指出它是玄武质岩浆遇水爆炸的产物,火山渣与花岗岩碎屑
层之间不存在所谓“沉积间断”。这对恢复镜泊湖全新世火山活动历史,确定火山口周围环境有
重要意义。
关键词:单成因火山裂隙式喷发基浪堆积全新世火山镜泊湖
【中图分类号]P317[文献标识码]A
O引言
镜泊湖全新世火山群位于黑龙江省宁安市西南,张广才岭主脊东侧的丛山之中,火口群
集中在宁安市小北湖林场管辖的大于泡、蛤蟆塘一带。火山喷发产物主要为熔岩流和火山
碎屑堆积物。从“火口森林”溢出的熔岩流沿河谷蜿蜒而下,长达60km,途中堵塞河道形成
了火山堰塞湖——镜泊湖和小北湖。在“火山口森林”至湖南屯之间20多公里的熔岩流中
还形成众多的熔岩隧道。火山锥体主要由火山渣、火山弹、熔岩饼、火山集块岩和薄层熔岩
组成。在“大干泡”和“蛤蟆塘”两处的空降碎屑堆积(局部见基浪堆积)可达数米厚。火山喷
发时代主要介于距今5200~5500年的300年间(樊祺诚等,2003)。1980年代初盛中方等
(1982;1983)对镜泊湖火山群进行了野外地质考察。近年来张招崇等(2000)对镜泊湖全新
世火山的地质、年代学和岩石地球化学进行了较为全面的研究。我们通过对镜泊湖火山考
察叫也取得一些新认识。本文除对镜泊湖全新世火山机构进行概述外,重点将讨论其喷发
类型、喷发方式及火山碎屑基浪堆积等特征。
1镜泊湖全新世火山机构
‘镜泊湖全新世火山群由13座火山组成,分成5个喷发中心,集中于西南和东北两区。
其中西南区包括“火口森林”、“大于泡”、“五道沟”和“迷魂阵”4个喷发中心,东北区仅“蛤蟆
[收稿日期】2004.06—23;[修定日期]2005.叭.23。
[项目类别】科技部社会公益研究专项资金项目(200lDIAl0003)
e作者简介】陈洪洲,男,生于1946年,高级工程师,主要从事火山地质、地震地质研究。
①参加野外考察的还有樊祺诚、孙谦等。
万方数据
3期陈洪洲等:镜泊湖全新世火山喷发特征36l
塘”1个喷发中心。两区相距15km(图1)。每个喷发中心由2~4个火山锥(口)组成。
图1镜泊湖全新世火山分布图
Fig.1
kc8lion0fvolcanicventsin山e
Jin印ohu
Holocenevolc明o
1.1火口森林火山机构
火口森林火山是I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号4个火山锥(口)的总称。这些火山锥(口)沿北北东向
呈串珠状排列。由于火口内环状断裂发育,可见环形或半环形台阶,台阶上的树林与火口底
部的树林呈阶梯状分布,故“火口森林”又有“地下森林”之称。I号火山锥(口)位于“火口森
林”北端,海拔高度1000。1070m。火口近圆形,直径400。470m,深132m。在火口缘上,局
部见熔岩的绳状构造。锥体有一个方向朝东的熔岩溢出口。
Ⅱ号火山口分布在I、Ⅲ号火口间,海拔高度1030m。火口呈圆筒状,直径70m,深50m,
无溢流口。内壁十分陡峭,几乎呈直立,底部及壁有花岗岩出露。
Ⅲ号火山口位于I号火山口西南250m处,海拔高度980一1000m。火山口呈不规则的
椭圆形,直径250。300m。火口内壁陡峭,距地表30m和50m处各有一台阶,显示环状断裂
发育。底部及东北壁见有花岗岩出露。需指出的是,在Ⅱ号与Ⅲ号的火口缘见有厚O.8—
1.0m由火山渣与花岗岩碎屑砂组成的基浪堆积,其上又为火山集块岩及熔岩渣、饼所覆盖
(图2)。
Ⅳ号火口位于“火口森林”南端,与Ⅲ号火口相邻,两者有熔岩隧道相通,形成“洞天一
品”景观(图3)。Ⅳ号火口海拔高度850.970m,大小仅次于I号火口。火口呈椭圆形,长轴
近南北向,长约500m,短轴近东西向,长约350m,在火口底部北侧有一塌陷的熔岩隧道,现
已开辟为旅游景点,命名为“坐井观天”。火口内侧壁陡,主要由薄层熔岩构成,火口四周为
火山渣覆盖,并且以红色火山渣最为发育(图4)。锥体有一溢出口,方向朝南。
1.2大干泡火山机构
大干泡火山机构包括V号和V.1号两个火山锥(口)。V号火山口位于Ⅳ号火山口南
万方数据
362
中国地震2l卷
约2km处,大干泡沟谷南侧,
海拔高度710一720m。火山
口近圆形,直径约250m,深5
—30m。底部平坦,四周各壁
保存完好,主要由火山渣、火
山弹、熔岩饼及熔岩组成。
含有大量的花岗岩角砾,角
砾大者直径达1—2.5m。该
火山锥(口)有一个溢流口。
朝向北东。在往东北方向流
淌约1km处与Ⅳ号火口溢出
的熔岩流会合。在公路南侧图2Ⅱ号与Ⅲ号火口缘顶部射气岩浆喷发形成的基浪堆积
见有厚数米的黑色火山渣,Fig.2Basic_sumng
yfomed
magmtic
exhalationofthe
top
atNo.2
其中含有碳化木(图5)。andNo.3crater
图3“洞天一品”景观
Fig.3
The“h01lowand
sky”
另据报道②在黑色火山渣间见有20cm厚的由花岗岩风化砂及火山渣组成的沉积夹
层。事实上这并非风化砂,而是围岩花岗岩的碎屑,这一现象反映的并非“沉积间断”,而是
火山碎屑的基浪堆积,下面还将讨论。
V.1号火山锥(口)位于东经128。3l750”,北纬44。10
736”,V号火口北东东700m处,海拔
高度730m,火口近圆形,直径30m,深4~8m,无溢出口。
1.3五道沟火山机构
该火山机构由Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ号3个火山锥(口)组成,位于V号火山口南2.5km,五道沟河谷
东侧,呈豆荚状近南北向展布,海拔高度820~880m。Ⅵ号火山口长轴480m,短轴230m,深
131m。Ⅶ号火山口位于Ⅵ号南侧,长轴220m,短轴130m,深127m。再往南为Ⅷ号火山口,长
②黑龙江省地质矿产局第一地质调查所,1985,黑龙江省宁安县镜泊晚期火山地质考察报告。
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3期陈洪洲等:镜?白湖全新世火山喷发特征
轴330m,短轴200m,深96m。
这3个火山锥拥有一个公共
底座。其西侧见有3个方向
朝西或北西的溢流口。Ⅵ火
山口的东壁及北壁见花岗
岩,其上覆火山渣、火山弹≮
熔岩饼及薄层熔岩。
1.4迷魂阵火山机构
该火山机构由Ⅸ、X号
火山口组成,位于“火山口森
林”西侧,Ⅸ号火山口中心地
理坐标为128。31’00”E,44012’
12”N,海拔高度1020m.呈圆
图4Ⅳ号火山锥的红色火山渣
Fi只.4
RedvolcanicscoriaofNo.4volcaniccone
图5含有碳化木的大干泡黑色火山渣(樊祺诚,1999)
Fig.5
BlackvolcanicscoriacontainedcarbidewoodenatDaganpao(FanQicheng,1999)
形,浅盆状,直径60。80m,深5~8m,无溢出口,主要由薄层熔岩及火山弹、熔岩饼堆积而
成。
X号火山口位于Ⅸ号火山口西南约400m处,海拔高度940~960m。火山口呈近东西向
拉长的椭圆形,长200m,宽170m。火山口内壁陡峭,主要由紫红色火山渣、火山弹、熔岩饼
及薄层熔岩组成。在锥体的西北方向有一溢流口,呈“u”形谷,宽40m,深5—10m。
1.5蛤蟆塘火山机构
该火山机构由Ⅺ和Ⅻ号火山口组成。位于“火山口森林”北东约15km处,海拔750—
800m。地理坐标为128041’59”E,44。16’53”N。Ⅺ号火山口近圆形,直径约500m,深85m,溢流
口朝北西向。火山口内存在不连续的环形裂隙。其底部主要由土红色的火山弹、饼、渣层组
成,中上部由薄层熔岩夹火山弹、饼、渣层组成。
在火山口西南有一火山渣采场,黑色火山渣中夹数层花岗岩碎屑砂层,其中最厚的一层
万方数据
364
中国地震2l卷
厚达约10。20cm(图6),花岗岩碎屑有很好的圆度,表现为火山碎屑基浪堆积的特点。
图6蛤蟆塘火山渣采场中的基浪堆积
Fig.6Basic-surgin
oftlle
Hamat8ng
cmter
Ⅻ号火山口位于Ⅺ号火山口的南西约1.5km处,呈筒状,内壁陡峭,其直径80m,深约
35m,无溢流口。下部见有厚层熔层,上部为火山弹、饼、渣层及薄层熔岩。
对便于对此,现将上述5个喷发中心13个火山口的主要参数列入表l。
表1镜泊湖全新世火山口主要参数
2喷发类型
以往讨论火山喷发类型主要指喷发强度或喷发方式等,本文从成因角度讨论镜泊湖全
新世火山喷发类型。
全球火山按其成因共分为5种类型:熔岩盾火山、层火山、中央式火山、单成因火山和泛
流式玄武岩。前3种属于多成因火山系统,后2种属于广义单成因火山系统。熔岩盾火山
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3期陈洪洲等:镜泊湖全新世火山喷发特征365
特点主要表现为由熔岩流组成,呈低角度的盾状,体积大,常超过1000(km)3,爆发指数小,
常小于10%。代表性的熔岩盾火山有夏威夷冒纳罗亚火山,体积4000(km)3;层火山是由熔
岩流和与之互层的火山碎屑堆积物组成,常呈圆锥型。爆发指数可达50%,斯通博利式喷
发占绝对优势。代表性的层火山有日本云仙岳火山、富士山。中央式火山是除了玄武岩以
外,在成份上有很大比例的酸性火山岩的层火山或熔岩盾火山,大陆型层火山带由双峰式组
成,具一个或多个破火山口。实例有NewBenry火山、JebelKania火山、长自山天池火山。单
成因火山是由星散状、通常较小的火山组成。每个火山由单独一次喷发的岩渣锥和与之共
生的渣状熔岩流组成。体积多在O.1一l(km)3之间,以斯通博利式喷发占优势。接近海岸
线或湖区时,常形成射气岩浆喷发的凝灰岩环或低平火山口。实例有新西兰奥克兰单成因
火山区、夏威夷檀香山、中国五大连池火山、龙岗火山群等。泛流式玄武岩指由广泛范围内
星散状火山喷出的单成因火山组成,但其熔岩流覆盖面积更广,体积更大。在地史上以平均
32M8间隔分布,它们都形成于热点的开始时间,是地幔热柱上升至软流圈与岩石圈边界时
形成的。实例有16Ma哥伦比亚玄武岩、69.55Ma德干暗色岩、中国峨眉山玄武岩等。产生
上述不同火山系统成因类型的重要原因是岩浆喷发与侵入的质量补给率和调节频率所致。
所谓质量补给率是指在单位时间里岩浆的补给数量,调节频率指火山喷发的持续时间和喷
发间隔周期。狭义的单成因火山,其每个火山是由单独一次火山喷发形成,即使是多次喷发
的火山其调节频率,即喷发间隔一般也都在1000a以上(魏海泉等,1999)。大多数单成因火
山的岩浆成份都为玄武质。
镜泊湖全新世火山群由10余座火山组成,每个火山都由单独一次喷发的岩渣锥或与之
共生的熔岩流组成。玄武岩主要为碱玄质响岩及响岩质碱玄岩。尽管熔岩流总长度达60
余公里,但它们主要沿沟谷呈线状分布。过了瀑布村进入盆地后,熔岩流才呈现面状分布,
总面积约200(km)2,平均厚度按lOm计算,体积可达2(km)3。鉴于其组成、形态及形成规模
等特点,镜泊湖全新世火山应属于狭义的单成因火山。
火山渣的颜色能反映成因条件和环境,在野外常见有两种类型:一种是黑色岩渣,一种
为红色岩渣。黑色岩渣是火山喷发时玄武质岩浆迅速淬火造成的,红色岩渣反映岩渣之间
有一定的熔结作用,其原因是快速堆积条件下较长时间保持高温、氧化作用的结果。如前所
述,镜泊湖火口森林Ⅳ号火山锥红色火山渣发育,它反映喷发与堆积速率较高。蛤蟆塘Ⅺ号
火山锥黑色火山渣发育,它反映喷发与堆积速率较低。在黑龙江省五大连池老黑山火山、克
山县尖山火山、莲花山火山、二克山火山等岩渣锥体剖面上往往都可见到红、黑色岩渣相间
出现的情况(陈洪洲,2005)。这反映了造锥喷发时熔岩喷泉的高度、喷射方向和喷发速率等
方面的变化。由火山渣组成的岩渣锥是单成因火山作用的典型产物。
3喷发方式
火山的喷发方式反映火山活动的一种本质特征。一般将其划分为两大类型,即中心式
喷发和裂隙式喷发。在地质历史上可能还有区域喷溢喷发方式。为了便于讨论镜泊湖火山
喷发特征首先简要介绍一下具有详尽观测记录的1975一1976年发生在堪察加半岛的新托
尔巴奇克火山喷发。其形成过程是:先在地表生成裂隙,沿裂隙有多个喷口喷发,后来喷发
集中在一个或几个喷口,最后形成一个较大的锥体(带有一个或几个火口),而初始喷发裂隙
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中国地震2l卷
被后来的喷发物所掩盖(陈洪洲,1996)。对于这样的火山锥体,如果人们不是直接观察到它
的形成过程,很容易从形态上将其误认为中心式喷发。实际上,这是火山学家公认的一次著
名的大裂隙喷发。这次大裂隙喷发还表现出一个特点,就是它有北区和南区两个喷发区。
喷发活动首先始于北区,活动时间从1975年7月6日至1975年9月15日,历时72天。此
间,先后形成3个大渣锥(编号为I、Ⅱ、Ⅲ)和一个小渣锥及3个“熔岩锅”共7个锥体。3个
大渣锥的高度分别为299m、278m和108m;体积分别为0.133(km)3、0.099(km)3和0.022
(km)3。3个大渣锥的火山口形态各异:I号锥火山口形态规则,无缺口;Ⅱ号锥火山口呈马
蹄形,开口朝西,形成了一个熔岩溢出口;Ⅲ号锥有一对孪生的火山口。北区形成的熔岩流
面积为8.86(km)3,熔岩体积为0.223(km)3。北区喷发结束后3天,南区开始有喷发活动。
自1975年9月18日至1976年12月10日,南区喷发持续1年零3个月,结果形成了一个大
渣锥(称Ⅷ号锥)和大片熔岩流。渣锥高165m,体积0.026(km)3。南区活动的突出特点是以
喷溢为主,溢出的熔岩流面积达35.9(km)2,平均厚度28m,体积1(km)3。两区相距lOkm。‘
镜泊湖火山也有两个喷发区,西南和东北两区。西南区包括“火山口森林”、“大干泡”、
“五道沟”和“迷魂阵”4个喷发中心,11个火山锥(口),东北区仅“蛤蟆塘”1个喷发中心,包
括2个火山锥(口)。两区相距15km。同时存在两个喷发区,这是判断裂隙喷发的一个重要
标志。这里的所谓“同时”是指镜泊湖全新世火山喷发活动主要介于距今5200—5500年的
300年间,不存在所谓以千年计的3期火山喷发活动(樊祺诚等,2003)。在这一相对短暂的
时间内,相继多次喷发形成十余座火山和200余平方公里的熔岩流。此外,火口森林的I、
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号4个火山口由于它们有共同的基座,并且每个独立的火口保存完整,说明与挛生
的火山口一样是同时形成的,如果它们有先后之分,后者必然会对前者起破坏或改造作用,
而实际上野外却见不到这种现象。同样五道沟的Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ号3个火山口也是同时形成的。
即它们是沿着近南北向的裂隙喷发,最后集中在这3个火口所致。这些都是裂隙喷发的直
接证据。其它如V和V.1号、X和Ⅸ号、Ⅺ和Ⅻ号火山锥(口)都是岩浆沿地下裂隙发生侧
向运移,并在地表快速释放的产物。因此,就火山喷发方式而言,镜泊湖全新世火山不属于
中心式喷发,而属于裂隙式喷发。一般而言,喷发量超过1(km)3的被称为大裂隙喷发,镜泊
湖全新世火山喷发体积达2(km)3,是新托尔巴奇克火山喷发量的2倍,显然属于大裂隙喷
发。
4火山碎屑基浪堆积
本文多次提到火山碎屑基浪堆积。“基浪”一词始见于热核爆炸。作为火山现象的基
浪,首先是在1965年塔尔湖底火山喷发时观察到的。后来在日本、北美以及欧洲一些火山
口周围相继发现了火山基浪堆积物。我国吉林龙岗火山群中也发现有火山基浪堆积物(刘
祥等,1987)。火山基浪堆积物是由于上升的玄武质岩浆接触到地表或近地表水体发生爆炸
形成的(射气岩浆喷发)。当地下的岩浆与水体接触瞬间,自接触面向各自内部的爆炸式混
合作用会产生两种情况:一方面水要把岩浆冷却淬火;另一方面岩浆又要把水加热汽化,这
两种作用同时进行的结果就会伴随周围岩石的破碎、牵引、圆化和堆积,从而形成典型的基
浪堆积。这种火山基浪是含有大量的水蒸汽、火山灰、火山砾及围岩碎屑等低温的喷烟柱从
侧面掠过造成的,初速度为每秒数十米。这一过程类似于原子弹爆炸时沿着地表辐射冲出
万方数据
3期
陈洪洲等:镜泊湖全新世火山喷发特征367
的气云涌浪(魏海泉,1999)。
基浪堆积与火山碎屑空落堆积无论是从碎屑结构上,还是从层理构造上都迥然不同。
在碎屑结构上,空落堆积物多为尖棱角的炉渣状,而基浪堆积如前面指出的火山渣层中的花
岗岩碎屑,它有很好的圆度,多呈半圆状,少数为圆状,个别呈次棱角状,玄武质也多为火山
豆、火山砾,其粒度5~20mm居多。在层理上,典型的基浪堆积标志是大型似沙丘状构造及
出现层的尖灭、合并等现象(图6),出现大量不同粒级、不同大小的透镜体层,这是射气岩浆
喷发的一种特征产物,在空落堆积中是绝对见不到的。
火山基浪堆积物的产生一要有火山爆发,为基浪堆积物提供充足的物质源;二要有丰富
的地表水和地下水,使得上升喷发的岩浆柱遇水爆炸,同时伴随有横向放射状扩散的基浪发
生。以往人们常将大干泡与蛤蟆塘一带火山渣层中出现的花岗岩碎屑层当作外动力地质作
用的产物,甚至将其作为“沉积间断”的标志(张招崇等,2000)。其实,它们的形成并非风化
或地面流水作用所至,而是爆炸、崩解的产物。将其当作“沉积间断”看待,并由此作为划分
火山喷发期次的依据,显然违背事实和火山喷发历史。大干泡与蛤蟆塘一带地表水和地下
水极为丰富,上升的玄武质岩浆柱遇水会立即发生爆炸,导致横向放射状扩散的火山基浪,
出现基浪堆积物。研究火山碎屑基浪堆积对研究火山活动历史,确定火口周围环境有重要
意义,越来越引起世界各国火山学家、第四纪地质地貌学家的广泛重视。
5结论
镜泊湖全新世火山严格受构造控制,北东向区域构造控制了北东与南西两个火山喷发
区,北北东向构造、南北向构造及东西向构造控制局部的火山喷发中心,一个火山喷发中心
的两个火山锥(口),反映岩浆沿地下裂隙发生侧向运移所致,就本质上讲,两个火山喷发区
的产生也是岩浆沿地下裂隙侧向运移的产物。同时形成的多个火山口是裂隙喷发的直接证
据。就喷发方式而言,镜泊湖全新世火山不属于中心式喷发,而是属于裂隙式喷发,完全可
以和世界著名的发生在勘察加半岛的大裂隙喷发的新托尔巴奇克火山进行对比。从喷发产
物、火山形态及喷发规模看镜泊湖全新世火山与五大连池等火山同属于单成因火山,反映其
岩浆的喷发与侵入的质量补给率和调节频率均较低。在大干泡与蛤蟆塘及火口森林的Ⅱ号
与Ⅲ号火口发现火山碎屑基浪堆积,否定了以往的在火山渣中存在“沉积间断”一说,这对恢
复镜泊湖全新世火山活动历史,确定火口周围环境有重要意义。
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