2. 中国地震局活动构造与火山实验室, 北京 100029;
3. 重庆市地震局, 重庆 401147
2. Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, CEA, Beijing 100029, China;
3. Chongqing Earthquake Administration, Chongqing 401147, China
我国东北新生代时期火山活动强烈,内蒙古自治区东部的大兴安岭两侧分布着众多新生代乃至第四纪火山(岩)群,沿大兴安岭-太行山重力梯度带以西自北向南,依次分布有诺敏河-奎勒河火山群、哈拉哈-绰尔河火山群、五岔沟火山岩、阿巴嘎-达里诺尔火山群和乌兰哈达火山群(图 1),南北断续延伸约1000km,这里是我国新生代火山数目最集中分布的地方,累计地表火山近400座,火山岩分布总面积约36000km2,不仅是我国重要的第四纪火山区,也曾是我国板内火山作用最强的地区之一。内蒙东部壮观的北北东向第四纪火山喷发带曾引起不少研究者的关注(林儒耕, 1979; 杨建军, 1988; 罗修泉和陈启桐, 1990; 乌云其木格, 1995; 刘妍等, 2005; 张臣等, 2006; 白志达等, 2008; 刘俊杰等, 2008; 赵勇伟等, 2008; 赵勇伟和樊祺诚, 2010; 陈生生等, 2011; 白志达等, 2012; 陈生生, 2012; 杨若昕等, 2012; Fan et al., 2014; Zhao et al., 2014; 龚丽文, 2015),白志达等(2012)更认为内蒙东部每一火山群内几乎都有全新世火山发育,表明这一地区仍潜在着火山喷发的危险性。
2 达里诺尔火山区火山地质与地貌在内蒙古锡林郭勒盟与赤峰交界地带、达里湖的西北部地区密集分布着一群第四纪火山,数目达上百座,被称为“达里诺尔火山群”,一直以来研究程度较低。火山群所在的大地构造位置处于兴安地块与松辽地块的交界处,位于东西向天山-阴山深断裂、北东向大兴安岭-太行山断裂及北西向阿巴嘎-赤峰断裂交汇的复合部位,近东西走向的西拉木伦断裂则从研究区的南缘穿过,南部即浑善达克沙地。本区早期的火山活动是以研究区西北部贝力克地区为代表的大规模玄武岩溢流,形成较大范围的熔岩台地,受侵蚀后形成了大量“平顶山”,构成了本区火山岩的基底。由于受新构造运动的影响,地壳发生差异性抬升,自锡林水库向西从高到低依次形成了四级熔岩台地,其高程分别为1034~1057m、1070~1120m、1150~1200m和1280m以上,且台地高程越高则火山岩年龄越老(陈生生等, 2011; 陈生生, 2012),而达里诺尔火山群就发育在这些熔岩台地之上,火山锥体海拔均高于1200m。贝力克西北部还有阿巴嘎火山群(图 1),以前曾笼统地把北西向展布的阿巴嘎、贝力克和达里诺尔三地的火山群统称为“达里诺尔(阿巴嘎旗)火山群”(刘嘉麒, 1999),再与西北部蒙古人民共和国达里干加新生代玄武岩相连,成为内蒙地区乃至亚洲中东部面积最大的火山区之一(Wiechert et al., 1997; Kononova et al., 2002)。而其中贝力克火山岩与达里诺尔和阿巴嘎火山岩具有明显不同,本文根据火山地质和岩石地化特征的差异,把这三处火山群分开,研究重点集中于达里诺尔火山群。
对本区所做的火山地貌调查发现,达里诺尔火山群熔岩溢流叠加在早期形成的熔岩台地之上,与早期多级造台地玄武岩一起形成了波状起伏的火山区地貌,整体呈周边低、中间高的阶梯台地状展布,中部火山密集的地区向上隆起呈脊状,该地区最高点达1699m,最低点为890m,高差不足千米,大部分火山锥体的相对高度仅在50~130m之间。对研究区北东东和北北西两个方向所做的A-B、C-D两条剖面线的DEM高程分析表明,达里诺尔火山区在1280m、1360m、1440m和1500m高程处都比较平缓,呈明显的阶梯地形,按高程可分为以上四个熔岩台地阶梯(龚丽文, 2015)。台地中部分布着大量的新期火山锥,形成熔岩脊,锥体整体上呈近东西向排布,部分火山锥体呈串珠状分布,熔岩台地整体呈东西向伸展、南北斜向压缩的“火炬”型(图 2),熔岩分布总面积约3100km2。火山的聚集成群和串珠状分布反映了断裂构造对本区火山活动和分布的影响。
达里诺尔火山群的火山活动深受本区断裂构造的控制,多数为中心式或裂隙-中心式喷发(白志达等, 2012),火山喷发类型多为斯通博利式,在地表形成圆锥状或截顶圆锥状火山锥,大部分为单成因火山,火山锥体多由火山喷发碎屑物组成,可见熔岩、火山碎屑喷发物叠加在早期锥体之上。相对较新的火山如鸽子山、大敖包等火山还保留着较为完整的火山机构,包括火山渣锥、火山口、熔岩溢出口、降落和溅落堆积物、塌陷坑、熔岩流、喷气锥等(图 3)。因锥体形成后受风化、流水侵蚀等外力作用,多数火山锥已受剥蚀,锥体形态逐渐变得浑圆,顶部火口垣也变得更加宽缓平坦。
本区火山岩中可见到岩浆快速上升时挟带的地幔橄榄岩包体或橄榄石捕虏晶,有的肉眼即可观察到橄榄石捕虏晶已伊丁石化,暗示受到过后期强烈的热液蚀变作用;本区火山岩的另一特点是含有丰富的辉石巨晶,在多座火山中均有发现,大小约1~7cm,色泽黝黑,晶面平整,晶体外缘与火山岩接触处多发育褐色的角闪石等铁质矿物反应边(图 3f)。
3 达里诺尔火山岩岩石地化特征对本区火山岩的全岩主量元素化学分析结果表明(表 1),SiO2跨度范围较大(41%~49%),但全碱(Na2O+K2O)含量变化幅度相对较小,在4.18%~6.13%之间变化,其岩性以碧玄岩为主,碱性橄榄玄武岩次之,少量为粗面玄武岩,均属碱性火山岩的范畴(图 4a)。TiO2的含量均>2.5%,最高可达4%左右,具碱性玄武岩常见的高TiO2特征。大兴安岭-太行山重力梯度带以西的几个邻区火山岩也多集中在碧玄岩、碱性玄武岩和粗面玄武岩这三种岩性上,只是SiO2变化幅度均小于本区;而紧邻本区的贝力克火山岩却是以亚碱性的拉斑玄武岩和玄武安山岩为主,少量为碱性火山岩,成分与其它火山区均为碱性火山岩有较大差异,暗示了贝力克火山岩的成因和起源较为复杂。
达里诺尔火山岩主量元素中SiO2与TiO2、MgO、FeOT、K2O均呈负相关,而与Al2O3呈较好的正相关性(图略)。本区火山岩的全碱含量与北部哈拉哈-绰尔河火山岩最为接近,基本相同,而诺敏河、乌兰哈达火山岩的碱质含量最高,贝力克火山岩为拉斑玄武岩,总体全碱含量最低(图 4a)。此外,K2O-Na2O图上显示诺敏河火山岩全为钾质系列火山岩,乌兰哈达火山岩基本为钠质系列火山岩,而本区火山岩、哈拉哈河-绰尔河及贝力克火山岩则均有横跨钾质和钠质两个系列的现象(图 4b),呈现出过渡的性质。
本区火山岩微量元素分析数据见表 2,对其与邻区火山岩所做的蛛网图分析表明,大兴安岭-太行山重力梯度带以西这些火山岩无论是原始地幔标准化图还是球粒陨石标准化稀土配分模式均相似,均呈LREE富集、HREE亏损的曲线右倾型(图 5),只是LREE含量的变化范围明显大于HREE,都显示了岩浆低度部分熔融的特征,也暗示了它们可能有共同或相似的岩浆源。值得一提的是,在这些火山岩中诺敏河火山岩的∑REE和(La/Yb)N值均为五区最高值,部分熔融程度最低,本区火山岩则居于中间位置,而贝力克火山岩数据几乎为五区最低值,不仅稀土元素总量低,其轻重稀土元素分异也最弱,显示部分熔融程度相对最高。
本区火山岩微量元素中大离子亲石元素Ba、Nb、Ta略微正异常,强不相容元素Rb和高场强元素U、Th略显示负异常,几乎无Eu异常(仅1个数据为Eu正异常),整个曲线型式类似于OIB的分布型式。从本区火山岩Nb、Ta正异常,其Nb/U值(39.5~44.2)也位于OIB范围内,说明岩浆可能来源于软流圈。
4 达里诺尔火山岩显微特征本区火山岩颜色较深,新鲜面青灰、灰黑至深黑色,斑状结构。斑晶总体含量少,以橄榄石(5%~10%)和单斜辉石(2%~5%)为主,含少量斜长石。基质多为隐晶质,少量微晶质,微晶有单斜辉石、橄榄石、长石、磁铁矿等。橄榄石斑晶和捕虏晶蚀变现象极其普遍,常见熔蚀边,呈港湾状,部分或整体发生伊丁石化。辉石柱状,常呈聚斑晶的形式出现。火山岩多含大小不一的气孔,含量约10%~20%。
达里诺尔火山岩薄片的镜下特征(图 6a, b)与本区火山岩之下的贝力克等早期熔岩台地火山岩(图 6c, d)明显不同,前者斑晶少,主要是伊丁石化橄榄石和辉石,基质为隐晶质;而后者主要表现在斑晶明显分为大小两群,暗示形成于两个世代,其中斜长石应为演化晚期结晶而成,基质已大量结晶为微晶质,微晶矿物多数清晰可辨,以细长针状和板状斜长石为主,镜下薄片观察为显晶质结构。
目前为止,关于达里诺尔火山岩喷发年代的数据仍较少。据前人资料(罗修泉和陈启桐, 1990; Ho et al., 2008; 陈生生等, 2013),与达里诺尔火山群相连、位于其西北部的阿巴嘎火山岩的年龄跨度在中新世中期(14.57Ma)至更新世早期(2.55Ma)之间,而紧临达里诺尔的贝力克及锡林水库玄武岩台地的年龄主要为上新世中期(3.27±0.25Ma)到更新世中晚期(0.41Ma),而达里诺尔火山岩喷发时代的测年数据仅见罗修泉等(1990)曾在达里昌图敖包钻孔和灰腾西里钻孔玄武岩中获得K-Ar年龄分别为1.18Ma和1.45Ma,在阿尔更其格火山(即鸽子山)锥体熔岩中获得K-Ar年龄为0.33Ma,即火山活动时代为更新世中期。从仅有的资料看,自阿巴嘎、贝力克到达里诺尔火山岩,其喷发时代逐渐变新;从野外考察中发现达里诺尔火山群中有些火山可能经历了多次喷发,有年龄较老的火山岩,但也有火山地质地貌保存较好的新期火山,因此整个火山喷发的时间跨度可能较长,但上述三地中最后的火山喷发可能仍在本区。本文试图从火山地质地貌考察的角度来探讨达里诺尔火山群中一些火山活动的相对时序。
众所周知,火山锥体形成后会经历风化和剥蚀、风化物被搬运等演化过程,高度逐渐降低,使其逐渐被侵蚀形成低缓圆丘状火山,因此火山地貌是判断相对喷发年代的重要依据。魏海泉等(2003)认为锥体底部直径和火口坑深度之间具有明显的正相关关系,根据锥体底部直径与火口缘直径的差值与锥体高度投点图,可以明显区分出早期的低平火山口和晚期的不同类型锥体。Inbar et al.(2011)认为火山锥体的形态测量是判定火山相对年龄的最有效工具,并以Tolbachik地区的火山锥体为例,研究了锥体高/宽比值与火山的侵蚀速率和相对年龄的关系。火山锥体的侵蚀具有一定规律性,即喷发后随着时间的推移,锥体高度、火口直径、火口坑深度和锥体表面坡度都在逐渐变小,而顶部火口垣宽度和锥体底部直径则在不断增加,由于锥体底部直径增加速率远远超过锥体顶部直径的增加速率,即锥体底部直径与火口垣宽度的差值随着时间的推移在不断增加,因此坡度是鉴定锥体新老的一个重要参考量,即锥体坡度越大,其喷发年龄越小,锥体越新,因而可以近似地认为锥体的演化过程可以通过锥体高度、锥底直径、锥顶直径及锥体坡度等参数来指示。由于锥体不同位置的坡度变化较大,从而带来一定的测量误差,而在较规则的火山锥体上,火山的平均坡度值S与锥体高度H、锥底直径D1及火口直径D2具有以下函数关系:
从上述表达式中可以看出,锥体的坡度可以通过锥高与锥体直径的比值来表示,因此为了简化运算,可以简单地用H/D值来表征锥体的演化程度。由于本区的火山锥体并不规则,为便于统计,锥体海拔选取火山最高点高程;锥体高度选取最大起伏度高差;对于锥底面为椭圆形的锥体,其直径由短轴直径和长轴直径组成;H/D即锥高与直径(锥底直径-火口直径)的比值。
前已述及,达里诺尔火山群有近百座火山,虽形态各异,但可以大致将本区火山锥形态分为截顶单锥、复式锥、盾形和残余型等四大类,根据1:10万地形图统计结果并结合野外实地考察验证,上述四类火山所占大致比例分别为36%、28%、15%和21%。单锥及复式锥形火山多位于火山群中部,而盾形火山多沿台地边部分布,残余形火山则分布广泛,在本研究区各处均有分布。鉴于达里诺尔火山岩的岩性相近,均为碱性程度较高的碧玄岩、粗面玄武岩、碱性玄武岩类,即风化剥蚀程度也相近;且由于目前发表的达里诺尔火山岩绝对年龄数据有限,在无法获得足够多绝对喷发年龄来判断火山群喷发次序的情况下,火山锥体受剥蚀和形态的保存程度就在一定程度上指示了火山喷发活动时代的先后关系,再结合火山的H/D值,为判断本群火山(主要是锥状火山)喷发的相对时序提供了一定参考依据。
根据野外火山地质考察结果,依据锥体的剥蚀和保存程度及H/D值,将本区部分重要火山的活动时代划分为如下四类(表 3)。总体而言,四种类型锥体的H/D值有很大差异,以鸽子山火山为代表的几座火山外形完好、火山机构相对完整,H/D值最大,是本区最新的火山;而牛圈山、阿察海尔汗等火山机构已遭到破坏,火山锥体平缓圆润,H/D值最小,应属于本区较早活动的火山。当然,火山残留的锥体形态与喷发的早晚可能并不完全一致,总体上从锥形火山、盾形火山到残余型火山的喷发时代是依次变老,而复合型火山锥因其锥体形态复杂,H/D值不完全适用于判断其喷发时代,因此主要依据野外考察结果来帮助判定。根据上述几种类型火山在熔岩台地的分布位置特点,可以看出位于台地边部的火山形成时间相对较早,晚期火山活动主要集中于台地中部并形成熔岩脊,即本区的火山活动是从边部向中部迁移,而更早期造台地的玄武岩溢流式喷发规模则更大,形成了本区熔岩台地的基底。等以后本区火山岩测年数据出来后,可根据数据再次核对和校正本区火山活动的时序。
如前所述,本区火山岩岩性相似且化学成分变化范围不大,结合火山锥体剥蚀保留程度表征的火山活动年龄及其成分,可以推测位于本区边缘的火山岩岩浆成分代表早期岩浆成分,即早期岩浆成分中有碱性玄武质和粗面玄武质,而位于本区中部的火山岩岩浆成分代表着晚期岩浆的成分,即晚期多为碧玄质,说明本区岩浆成分从碱性玄武质和粗面玄武质逐渐演化为碧玄质,结合岩浆中出现的单斜辉石巨晶及火山岩地球化学特征,暗示这些岩浆可能来自软流圈,且来源逐渐变深。
6 结论新生代时期我国东北部大兴安岭一带火山活动强烈,沿大兴安岭-太行山重力梯度带以西分布着众多新生代乃至第四纪火山群,自北向南依次分布有四个火山群,南北断续延伸约1000km,这里是我国新生代火山数目最多的地方,火山岩分布总面积广泛,是我国板内火山作用最强的地区。而其中位于达里湖西北的达里诺尔火山群火山数目众多,形态各异,火山活动时代相对较新,经多次野外火山地质地貌考察,我们得到以下研究成果:
(1)达里诺尔火山群有近百座火山,锥体相对高度大多在50~130m之间,多数为中心式或裂隙-中心式喷发,大多为单成因火山。相对较新的火山还保留着火山机构,包括火山渣锥、火山口、熔岩溢出口、降落和溅落堆积物、塌陷坑、熔岩穹丘、熔岩流、喷气锥等,它们都发育在本群火山喷发前形成的多级造熔岩台地之上,是世界上海拔较高的火山群之一。早期造台地的拉斑玄武岩溢流式喷发规模更大,形成本区基底。
(2)火山区整体呈四周低、中间阶梯状隆起的台地地形,在东西方向上有延伸,按高程可分为四个阶梯,高度分别为1280m、1360m、1440m和1500m。台地中部分布着大量的新期火山锥,锥体整体上呈近东西向排布,部分火山锥体呈串珠状分布,熔岩台地整体呈东西向伸展、南北斜向压缩的“火炬”型,熔岩分布总面积约3100km2。熔岩台地的展布和火山锥的分布均呈东西走向的条带状,火山群的整体分布主要受东西向天山-阴山基底断裂和北东向大兴安岭-太行山断裂的双重影响。
(3)按锥体形态将本区火山群分为截顶单锥形火山、复合型火山、盾形火山和残余型等四类,由于成分相近,其风化剥蚀和保留程度暗示了喷发时代的先后关系,根据锥体剥蚀程度和H/D值对本区部分火山活动的相对时序进行了分类。锥形及复合型火山位于火山群中部,而盾形火山多沿台地边部分布,残余形火山则分布广泛,表明台地边部火山形成时间较早,晚期火山活动主要集中于台地中部并形成熔岩脊,火山活动规律是从边部向中部迁移。
(4)本区火山岩的岩性主要为碧玄岩和碱性玄武岩,少量为粗面玄武岩,SiO2变化范围较大,但全碱含量变化幅度小,均属碱性火山岩范畴。火山岩的微量元素呈LREE富集、HREE亏损的右倾型,显示了岩浆低度部分熔融的特征,且本区与邻区火山岩可能有共同或相似的岩浆源。结合锥体剥蚀程度表征的火山年龄,暗示本区岩浆成分从碱性玄武质和粗面玄武质逐渐演化为碧玄质,岩浆可能来自软流圈,而且来源逐渐变深。
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