2017, Vol. 33
2. 吉林省长白山天池火山监测站, 安图 133613
2. Changbaishan Tianchi Volcano Observatory, Antu 133613, China
现今活动火山的岩浆系统被认为是处于一个开放的动态过程(Spera and Bohrson, 2004; Ryan, 1994; Nicolis and Prigogine, 1977)。地下岩石受温度、压力和H2O等条件变化的影响通过部分熔融抽取形成岩浆，岩浆经历聚集、上升、混染、分异结晶等过程喷发至地表(Parfitt and Wilson, 2008; Francis, 1993; Sigurdsson, 2000)。对于上述过程，火山所处环境的不同可能会经历不同的阶段，如大洋中脊喷发的玄武岩，只经历了熔融、快速上升与喷发的单一过程(Francis, 1993)。但对于远离大洋中脊和俯冲板块边缘的大陆板内火山，其岩浆的活动过程要相对复杂得多，比如黄石火山，长谷火山等(Ryan, 1994; Bergantz and Ni, 1999; Hildreth and Wilson, 2007; Perugini and Poli, 2012)。
火山的喷发活动多数仅存在一种岩浆成分，即“单源”喷发，这是对火山喷发认识的一种普遍观点(Ryan, 1994)。然而，近年来随着研究工作的深入，逐渐意识到由于地下岩浆经历或处于不同的分异演化阶段，喷发中常存在多种岩浆之间的转化和混合现象，即“混源”喷发，这种喷发对应了地下复杂的岩浆系统，是研究者探索的热点。如，Bacon and Druitt (1988)和Bacon and Lanphere (2006)对美国火山口湖火山7700年前的大喷发研究认为，前期为流纹质英安岩(SiO2为70%~74%)，后期为玄武质安山岩(SiO2为50%~60%)，这是由于俯冲板块边缘的深部岩浆补给入浅部岩浆房内，且发生部分混合后形成一次喷发两种岩浆成分的现象。另外，在意大利的埃特纳火山(Viccaro et al., 2010)、埃塞俄比亚的Dabbahu火山(Field et al., 2012)和日本的Zao火山(Ban et al., 2008)等，也都是一次喷发两种或多种岩浆成分，并存在岩浆混合现象。
长白山天池火山是我国最具潜在喷发危险的一座板内层状活火山，而千年大喷发是天池火山最近的一次大规模爆炸式喷发活动(刘若新等, 1992, 1998; Wei et al., 2013)。近年来的研究逐步认识到千年大喷发可能存在两种岩浆成分且发生了岩浆的混合，改变了前期认为的碱流质岩浆单一喷发的观点(Horn and Schmincke, 2000; 樊祺诚等, 2005, 2007b)。Horn and Schmincke (2000)在朝鲜境内开展千年大喷发的喷发时间与挥发份的研究中提出千年大喷发存在两种岩浆成分，并认为可能两者来源于不同的岩浆房，但关注点不同未深入探讨。樊祺诚等(2005)根据千年大喷发碱流质浮岩中的玄武质粗安岩-粗安岩角砾和条带状浮岩研究认为，天池火山之下存在地壳和地幔双层岩浆房，由于地幔的粗面玄武质岩浆向地壳岩浆房的注入触发了千年大喷发。由此可知，前人的研究中已关注到了千年大喷发中岩浆混合喷发特点。
近些年笔者有幸在公路建设开挖过程中发现了保存完好的碱流质和粗面质两层空降浮岩剖面，记录了千年大喷发完整的空降堆积过程。同时，在野外地质调查基础上，开展了岩相学观察和成分测试工作，并结合前人关于喷发物内锆石年龄和区域地球物理资料，初步建立了千年大喷发前碱流质与粗面质岩浆喷发过程模型，可为当前火山监测和未来喷发灾害的预警提供参考。
2 天池火山地质长白山天池火山位于中朝边境，是一座大型的层状火山，其建造过程经历了早期玄武质岩浆的造盾阶段(2~1Ma)，中期的粗面质岩浆造锥阶段(1~0.04Ma)和晚期爆炸式喷发阶段(刘若新等, 1998)。在此喷发过程中，岩浆从最初的低SiO2、Na2O、K2O和高CaO的粗面玄武质岩浆，经历长期的结晶分异作用，逐渐过渡到晚期喷发的高SiO2、Na2O、K2O和低CaO的粗面质和碱流质岩浆(刘若新等, 1998; 樊祺诚, 2006, 2007a)。
经过20世纪90年代以来火山地质与年代学研究，长白山千年大喷发已成共识(刘若新等, 1998; 刘嘉麒, 1999; Xu et al., 2013)。除了千年大喷发，近代天池火山还存在一次更大规模的天文峰期喷发，此次喷发的堆积物在火口周缘和钻孔资料中广泛出现，并被认为是形成天池火山破火山口的一次关键性喷发；另外一次喷发为中小规模爆炸式喷发的气象站期，其以垅状分布于天池锥体的北坡(刘若新等, 1998; 潘波等, 2013)。此两次喷发均为碱性流纹岩的“单源”喷发活动。
3 样品与测试为全面了解千年大喷发的两阶段喷发过程和岩浆转化特征，对千年大喷发火口周缘和锥体周边剖面进行了认真观察，摸清了喷发物的堆积分布及其相互关系。针对两阶段的空降浮岩和火山碎屑流堆积物分别在不同位置进行了样品采集(图 1)。从空降浮岩层内采集了不同粒径的纯净浮岩粒，而火山碎屑流堆积物内挑选了大块的浮岩块。为避免电子探针光束击穿极薄的火山玻璃获得可靠分析结果，在岩相学观察基础上，挑选“粗壮(fat)”的火山玻璃制作环氧树脂靶。
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图 1 长白山天池火山千年大喷发各类喷发物的分布范围与野外工作点位置 (a)天池火山位置与火山灰分布图(Machida and Arai, 1983)；(b)空降浮岩与火山碎屑流在中国境内的分布和野外工作点分布图.TT-天文峰；LS-天池水面；WS-西坡观景台；HS-黑石沟；LH-老房子小山；HR-黑石沟公路；BR-水泥桥；YC-园池；DF-东方红大桥；HK-红松王；XS-小沙河 Fig. 1 Geographic map of distribution of Millennium eruption products and field survey points around Tianchi volcano (a) the location of Changbaishan Tianchi volcano and the extent of ashfall of Millennium eruption based on Machida and Arai (1983); (b) distribution of Millennium eruption products and field survey points around caldera. TT-Tianwenfeng; LS-lakeside of Tianchi; WS-viewing deck on West Slope; HS-Heishi River Valley; LH-Laofangzi Hill; HR-road around Heishi River; BR-Shuini Bridge; YC-Yuanchi; DF-Dongfanghong Bridge; HK-Korean Pine King; XS-Xiaosha River |
全岩的主量元素测试在中国地质科学院国家测试中心利用X射线荧光光谱仪(XRF)进行的测试。火山玻璃和长石斑晶的主量元素在美国俄勒冈州立大学利用Cameca SX-100电子探针测试，加速电压为15kV，束斑直径为5μm。火山玻璃的微量元素在美国俄勒冈州立大学利用NewWave DUV ArF Excimer激光和VGPQ ExCell Quadrupole ICP-MS测试系统完成，束斑直径为50μm (Kent et al., 2004)。
4 喷发堆积层序与岩石地球化学 4.1 千年大喷发堆积层序千年大喷发为一次大规模的爆炸式喷发，其喷发物在火口周缘广泛分布，并且在日本海钻孔中常被发现，作为了区域性的标志层(Machida and Arai, 1983)。经过近些年大量的野外地质调查发现，在天池火口周边的锥体坡面上千年大喷发灰白色碱流质浮岩之上不同程度地覆盖着黑色浮岩或熔结凝灰岩，两者之间不存在明显间断面(如风化面)(图 2a)；成分测试表明灰白色浮岩(TT-C1)为碱流质，而黑色浮岩(TT-T1)为粗面质(见后)，这表明千年大喷发可能包括了碱流质和粗面质两种岩浆喷发。另外，两种浮岩除了颜色不同，在斑晶的含量和形貌上也明显不同，灰白色浮岩斑晶含量较少( < 5%)，且斑晶颜色鲜亮；而灰黑色浮岩内斑晶含量高(~30%)且聚晶大量存在。本文将介绍园池(YC)和水泥桥(BR)两个具有典型特征的剖面，来进一步说明千年大喷发存在两个喷发阶段和两种岩浆成分。
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图 2 千年大喷发两层堆积物的层序关系照片 (a)天文峰剖面(TT)；(b)园池剖面(YC) Fig. 2 Photograph of the stratigraphic profile of the Millennium eruption (a) profile at Tianwenfeng summit (TT); (b) profile at Yuanchi (YC) |
园池剖面(YC)位于火口东30km处，其主要揭示了千年大喷发的两层空降浮岩之间为直接压盖关系，无风化堆积等间断特征存在(图 2b)。剖面下部为厚45cm的灰白色空降浮岩，正粒序分布，分选好且浮岩棱角分明，在天池火口东侧范围内此层被广泛发现。上层空降浮岩具有多个粒序，颜色主要以黄色、褐色和灰黑色为主，与下部灰白色浮岩层特征明显不同。针对两层空降浮岩压盖关系观察发现，灰白色浮岩顶部细颗粒堆积物保存完好，后降落的杂色空降浮岩直接压盖之上，说明两者喷出过程的连续。两层浮岩的全岩及其中的玻璃和长石斑晶成分测试表明，其分别为碱流质和粗面质岩浆。
水泥桥剖面(BR)位于天池火口东侧25km处，为新修道路桥开挖出的一个深约6m的建筑坑。相比其他剖面，其完整记录了整个千年大喷发的过程，除两次空降浮岩的堆积，还包括当时一系列的次生堆积(图 3)。两层空降浮岩中，下层厚度73cm，为一套单一正粒序分布的灰白色空降浮岩，特征与园池碱流质浮岩层一致；上层厚度26cm，为杂色(黄、褐、黑色为主)的空降浮岩，具韵律层(6~8薄层)堆积特点，特征也与园池粗面质浮岩层一致。两层之间夹有厚13cm的细粒火山灰层，为灰白色浮岩喷发晚期空气中漂浮的细粒火山灰短暂快速沉降所成，表明了两种岩浆的转换经历了一个短暂的过程(数小时或数天)，但两者之间不存在风化、剥蚀等间断面，故两者应为同期喷发堆积的产物。电子探针的火山玻璃测试表明，两层空降浮岩分别对应于碱流质与粗面质岩浆(见后文)。
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图 3 水泥桥(BR)千年大喷发堆积剖面 Fig. 3 Stratigraphic column and photographs of the Millennium eruption at the Shuini Bridge, 25km east from caldera |
另外，区域性调查还发现千年大喷发两种岩浆的喷发物在锥体及周缘的分布情况，碱流质空降浮岩主要分布于火口的东南侧，其中以南坡附近厚约70m的堆积为最厚；碱流质火山碎屑流主要以裙状分布于各沟谷的前缘开阔地区或沟谷的底部(图 1)。而粗面质空降浮岩主要分布在火口的东北侧，以杂色多韵律层为特征(最厚达50cm)。天池南坡则有一层几十厘米厚的熔结凝灰岩直接覆盖在灰白色浮岩之上(樊祺诚等, 2006)，该期在天池火口北坡内侧有大量分布，即以往所称的八卦庙期；而粗面质阶段的火山碎屑流主要集中在火口周缘的几条沟谷内，同样可见发育多个厚度不一的韵律层(图 1)。
综上所述，天池火山锥体及周边地区千年大喷发的堆积剖面的地质特征表明，千年大喷发存在碱流质岩浆和粗面质岩浆两个阶段的喷发。
4.2 岩浆化学全岩化学成分表明，千年大喷发两个喷发阶段的岩浆成分分别为碱流岩和粗面岩(表 1、图 4)。火山玻璃是爆炸式喷发中岩浆快速冷却的产物，更能反映出岩浆房内的成分情况，其主量元素测试结果如表 2。从图 5可见碱流质喷发阶段的成分位于右下方，即高SiO2和低CaO、Al2O3；粗面质阶段的成分位于左上方，对应于低SiO2和高CaO、Al2O3；两者之间的成分相对集中，且两者之间无过渡成分的点相连接。相应地，碱流质岩浆和粗面质岩浆中的长石斑晶成分分别落在钠长石和透长石区间，同样两者之间不存在过渡的成分变化(表 3、图 6)，表明两者具有相对独立的岩浆来源。
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图 4 天池火山千年大喷发火山岩TAS分类图(据Le Bas et al., 1986) 前人数据刘若新等, 1998; 樊祺诚等, 2007a Fig. 4 Total alkali-silica plot for Tianchi eruptive products (after Le Bas et al., 1986) Previous analytical data are from Liu et al. (1998) and Fan et al. (2007a), data was normalized to 100% |
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表 1 千年大喷发堆积物中浮岩的主量元素分析结果(wt%) Table 1 The analysis results of major element (wt%) of pumices in the deposits of Millennium eruption |
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表 2 千年大喷发火山玻璃电子探针分析结果(wt%) Table 2 Microprobe analysis results (wt%) of matrix glass in the deposits of the Millennium eruption |
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表 3 千年大喷发中长石斑晶电子探针测试结果(wt%) Table 3 Microprobe analysis results (wt%) of feldspars in the deposit of the Millennium eruption |
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图 5 千年大喷发各类喷发物的火山玻璃主量元素变化图 Fig. 5 Plot of major-element compositions for the glass of Millennium eruption, data was normalized to 100% |
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图 6 千年大喷发两阶段浮岩长石分类图(a)与K2O-CaO图(b) Fig. 6 Ternay diagram (a) and plot of K2O vs. CaO (b) for feldspar phenocrysts from the Millennium eruption |
火山玻璃的微量元素测试结果如表 4。碱流质与粗面质两种浮岩中的火山玻璃具有相似的稀土元素配分特征，如均具有强烈的Eu亏损，说明两者可能在深部经历了相似的演化过程，但粗面质岩浆整体演化程度低于碱流质岩浆(图 7a)；在La-Yb图中，两者岩浆演化分异的趋势和程度也明显不同，显示两种岩浆分别独立演化之特点(图 7b)。
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图 7 千年大喷发的火山玻璃球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(a, 标准化值据Sun and McDonough, 1989)和La-Yb图(b) Fig. 7 Representative chondrite-normalized REE diagrams for the Millennium eruption (a, normalization values after Sun and McDonough, 1989), and the plot of Yb vs. La for Millennium eruption (b) |
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表 4 千年大喷发火山玻璃的LA-ICP-MS微量元素含量(×10-6)分析结果 Table 4 The LA-ICP-MS analysis results for trace element (×10-6) of matrix glass in the deposits of the Millennium eruption |
千年大喷发的堆积层序和全岩及其玻璃、长石斑晶成分的演化特征，充分证明了碱流质与粗面质两种岩浆两阶段喷发过程，同时也暗示它们来自两个独立的岩浆房。
4.3 岩浆混合与斑晶特征图 8展示了浮岩中两种条带状岩浆混合的现象。手标本中可以清晰地观察到灰白色岩浆与黑色岩浆具塑性流动接触关系，但两者间边界清晰(图 8a)。同样在显微镜下可以观察到浅灰色与灰黑色两种岩浆接触界线清晰，未见明显的反应或过渡关系(图 8b)，暗示碱流质与粗面质岩浆混合过程的快速性。混合浮岩的成分测试表明黑白条带分别对应于粗面质与碱流质岩浆成分(表 2)，两者表现出了物理混合的特征，无成分过渡和岩浆房内化学混合(染)的过程(图 5)。
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图 8 千年大喷发的岩浆混合现象 (a)手标本中碱流质岩浆与粗面质岩浆呈流动条带状混合；(b)显微镜下碱流质岩浆与粗面质岩浆混合边界清晰；(c、d)分别为碱流质和粗面质浮岩内的长石斑晶显微镜下图像；(e、f)分别为碱流质和粗面质浮岩内的长石斑晶电子探针背散射(BSE)图像 Fig. 8 Photomicrographs of texture and topography for pumice and phenocryst under the microscope and BSE microscopy (a) photograph of the pumice with the comenditic and trachytic bands; (b) clear mixing boundary between the comenditic and trachytic magma under the microscope; (c, d) the topography of feldspar under the microscope in the comenditic and trachytic pumices; (e, f) the topography of feldspar under the BSE microscopy in the comenditic and trachytic pumices |
显微镜下，碱流质岩浆内斑晶较自形，含有少量矿物包体，无明显熔蚀现象(图 8c)；而粗面质岩浆内的斑晶完全不同，斑晶具浑圆边和筛孔状构造(熔蚀孔可高达30%~40%)(图 8d)。千年大喷发两阶段的斑晶电子探针背散射图像(BSE)均观察到其成分的均一性，自边缘到内部无环带与成分分区等现象(图 8e, f)，这与成分测试结果相一致。而均一成分的斑晶反应了各自岩浆房内成分的稳定性，但在斑晶形貌上又明显不同，进一步说明了碱流质与粗面质岩浆在贮存环境上的巨大差异。
5 讨论 5.1 岩浆贮存与喷发过程根据喷发物堆积特征及其岩相学与化学成分变化，提出千年大喷发具有碱流质岩浆与粗面质岩浆两阶段喷发特征，岩浆分别来自两个独立的岩浆房。其根据如下：
(1)根据天池火山锥体及火口周边的地层剖面研究表明，千年大喷发存在碱流质与粗面质两种岩浆的喷发活动，碱流质岩浆喷发阶段发现岩浆混合现象，粗面质岩浆喷发阶段则为单一成分堆积。
(2)碱流质与粗面质岩浆全岩及其玻璃和长石斑晶的成分各自独立，其间不存在过渡成分。条带状混合浮岩中两种岩浆也界限清晰，其岩相与化学成分特征也都支持两者来自独立岩浆系统，只是上升过程中经历了短暂的混合。
(3)长石斑晶形貌与成分特征反映了碱流质与粗面质两种不同的岩浆房环境。自形的长石斑晶反映碱流质岩浆房相对稳定和封闭，而粗面质岩浆中长石斑晶强烈的熔蚀现象，反映粗面质岩浆房的不稳定性，可能与来自其下覆通道富含挥发份(F、H2O和Cl等)的新岩浆的不断注入有关(Nelson and Montana, 1992; Blundy and Cashman, 2001, 2005)。所以，千年大喷发的两种岩浆位于相对独立的不同岩浆房。
(4)根据长石-火山玻璃平衡温度计(Putirka, 2008)，碱流质岩浆房和粗面质岩浆房的平衡温度分别为743℃(718~786℃)和862℃(837~877℃)，两者相差约120℃，无重叠温度区间，这为两者为独立岩浆房提供进一步佐证。根据火山区地下的地温梯度为30~50℃/km，推测约120℃的温度差反映在深度上应相差约2~4km (Yoshinobu et al., 1998; de Silva and Gregg, 2014)。
(5) Zou et al.(2014)的锆石238U-230Th不平衡法年代学研究表明，碱流质岩浆内的锆石年龄为12.2±1.7ka，而粗面质岩浆内的锆石年龄存在多个峰值，至少形成于230ka之前，且不断有新的岩浆注入，这与本文推测的粗面质岩浆房下存在开放性的岩浆通道一致。
地球物理方面，通过小震的精定位和地表形变的反演表明，在天池火山地下约5km左右存在一个岩浆房(吴建平等, 2007; 胡亚轩等, 2007)，这一深度与普遍认为的碱流质岩浆的贮存深度相一致(Castro and Dingwell, 2009)。另外，Kyong-Song et al.(2016)通过在朝鲜一侧的地震观测数据的计算认为，在天池火山地下5~10km的范围内存在明显的低速异常，峰值出现在8km左右的深度上，并推测此低速异常带为岩浆的贮存区域。因此我们结合长石平衡温度推测，千年大喷发的碱流质岩浆房的深度应为地下5km左右，粗面质岩浆房深度约为地下7~9km。
5.2 岩浆混合位置千年大喷发物中灰白色与黑色条带状岩浆混合经历了什么样的过程，是下覆岩浆进入上部岩浆房内混合一起喷出，还是两者在地下运移通道内相遇发生了混合呢？本文倾向于后者，主要依据如下：
长石作为火山岩的主要斑晶，若岩浆房条件改变具有快速生长的能力，这是判断是否存在深部不同岩浆注入的重要证据。实验岩石学和现代火山喷发的研究发现，在新岩浆注入发生混合条件下，长石具有快速生长的能力，其生长速度为10-7cm/s (Crisp et al., 1994; Armienti et al., 1994)，即一天内斑晶边缘可生长出约100μm的环带。然而，千年大喷发的长石斑晶成分均一，无环带构造或成分异常区(图 4c-f)。另外，浮岩内黑白两种岩浆混合条带，无论手标本还是镜下均显示边界清晰(图 8a, b)，成分各自独立，无过渡现象。以上可以排除喷发前发生于岩浆房内的混合，倾向于岩浆在上升运移通道中发生了快速混合现象。
5.3 千年大喷发岩浆过程模型根据以上讨论，初步提出天池火山千年大喷发岩浆过程模型(图 9)，图中岩浆房的位置和大小、岩浆上升的通道、喷发柱的高度等均为示意。
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图 9 千年大喷发岩浆过程模式图 Fig. 9 Speculative cartoon cross section of magma chamber and eruptive process for the Millennium eruption |
千年大喷发前，粗面质与碱流质岩浆处于地下各自岩浆房内独立演化，但粗面质岩浆房不断接受来自深部新的岩浆补给，造成地下整体压力逐渐增大(图 9a)；由于新岩浆补给造成粗面质岩浆房压力增大，并传递到上覆碱流质岩浆房内，促使碱流质岩浆突破上覆地壳开始了大规模碱流质岩浆爆炸式喷发，形成一套灰白色正粒序的碱流质空降浮岩(图 9b)；由于碱流质岩浆的喷出，导致粗面质岩浆的上覆压力减小，开始上涌并与碱流质岩浆在上升通道相遇发生混合；同时，碱流质岩浆喷发柱能量减弱，开始垮塌，形成以碱流质为主的火山碎屑流(图 9c)；后期碱流质岩浆房内压力不足而停止喷发，粗面质在上覆压力减小的情况下，继续向上突破形成大规模脉冲式的第二阶段粗面质岩浆喷发，形成杂色空降浮岩层和灰黑色火山碎屑流(图 9d)。
6 结论通过野外地质调查和室内岩相学与地球化学等的综合研究，取得了对天池火山千年大喷发如下新认识：
(1)从火口周缘和锥体周围的火山地质调查发现千年大喷发存在岩浆成分不同的先后两个喷发阶段，分别为碱流质喷发阶段(SiO2，~75%)和粗面质喷发阶段(SiO2，~65%)。
(2)通过火山岩相学与主微量元素地球化学示踪，表明碱流质与粗面质岩浆分别来自于两个独立且不相连通的岩浆房，岩浆房平衡温度分别约为743℃和862℃，相应深度约5km和7~9km。
(3)根据条带状岩浆混合及喷发特征，提出喷发过程中碱流质与粗面质岩浆在上升通道内发生了快速的物理混合，排除岩浆房内混合喷发的可能性。
致谢 感谢野外工作中长白山火山监测站和长白山火山景区提供的帮助；感谢俄勒冈州立大学电子探针实验室Frank T教授和LA-ICP-MS实验室Kent AJR教授在地球化学成分测试中的帮助；感谢匿名审稿专家提出的宝贵有益的建议。| [] | Armienti P, Pareschi MT, Innocenti F, Pompilio M. 1994. Effects of magma storage and ascent on the kinetics of crystal growth:The case of 1991-93Mt. Enta eruption. Contributions to Mineralogy and Petrology , 115 (4) :402–414. DOI:10.1007/BF00320974 |
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