内蒙古达里诺尔晚新生代火山群喷发特征研究*

日期:2019.12.24 阅读数:21

【类型】期刊

【作者】赵勇伟,樊祺诚,李霓,王佳龙,邹颖(中国地震局地质研究所活动构造与火山重点实验室)

【作者单位】中国地震局地质研究所活动构造与火山重点实验室

【刊名】岩石学报

【关键词】 达里诺尔火山群;单成因火山;喷发特征;喷发物运移机制

【资助项】国家自然科学基金项目(41572320);中国科学院B类先导项目(XDB18030100);中国地震局地质研究所基本科研业务专项及重点项目(LED2014B05)联合资助

【ISSN号】1000-0569

【页码】P103-112

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|3;|6;|7;|8;|4;|5;|2

【摘要】达里诺尔火山群有近百座晚新生代单成因火山,其地质地貌形态各异,喷发形式多样。这些火山既有爆破式喷发,如:夏威夷式喷发,斯通博利式喷发,强斯通博利式喷发和射汽岩浆喷发;也有溢流式喷发,如盾状火山;还有岩浆缓慢侵出,如大黑山。火山群内典型火山机构表明,不同的喷发方式穿插于火山喷发过程:早期火山活动多以侵出和溢流为主,逐渐转变为岩浆爆破式喷发(强斯通博利式,斯通博利式),晚期又过渡为溢流式喷发,喷发过程大体经历一个爆破强度弱-强-弱的转变。射汽岩浆型的火山则是以剧烈的射汽岩浆爆炸开始,后期逐渐转弱为岩浆爆破喷发和溢流喷发。火山喷发过程中火山产物出现牛顿流体,宾汉流体,层流,颗粒流,涌流,空降等不同类型的运动形式,自火口向远源运动,形成差异化的火山产物。岩浆的输送速率、上升速度,以及围岩的类型,可能是造成达里诺尔火山群多样化喷发的主要因素。

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内蒙古达里诺尔晚新生代火山群喷发特征研究<span class="superscript">*</span>

内蒙古达里诺尔晚新生代火山群喷发特征研究*

赵勇伟 樊祺诚 李霓 王佳龙 邹颖

中国地震局地质研究所,活动构造与火山重点实验室,北京 100029

大陆板内火山喷发形式复杂多样,主要取决于岩浆因素:如岩浆物理化学性质,补给频率与速率(单位时间内通过岩浆通道的岩浆质量),以及非岩浆因素:如火山通道的产状,区域应力状态,围岩类型等(Schmincke, 2004)。Walker (1993)强调了岩浆的补给速率与频率对火山的控制作用,并提出了“多成因火山”(polygenetic)与“单成因火山”(monogenetic)的概念。多成因火山岩浆输送速率与频率较高,使火山活动能够在一定时间内相对持续,形成喷发-休眠-再喷发的周期式喷发。与之相反,单成因火山的岩浆补给速率与频率都较低,喷发间隔时间长,每次喷发倾向于发生于不同地点,因此常形成数十至数百座火山锥构成的单成因火山群。我国存在大量新生代以来的板内火山,这些火山绝大多数都属于单成因火山。然而目前对国内单成因火山作用过程中喷发特征、喷发物运动状态以及搬移机制的研究还存在不足,直接影响到识别火山机构,以及制定火山灾害区划方面的工作。

图1 区域地质背景图(据Xiao et al., 2009修改)
Fig.1 Geological background map (modified after Xiao et al., 2009)

本文选取达里诺尔火山群作为研究对象,研究喷发特征以及喷发过程中火山产物运移机制,探讨影响火山喷发的因素,以加深我们对大陆板内单成因火山喷发活动的理解。达里诺尔火山群位于内蒙古自治区锡林浩特市与克什克腾旗交界,是大兴安岭-太行山重力梯度带第四纪火山群的重要组成部分(樊祺诚等, 2015),是我国最大的晚新生代火山群之一,并存有全新世喷发过的活动火山(杨若昕等, 2012)。

二十世纪内蒙地质矿产局对本地区的1:100万和1:20万区域地质调查确定了达里诺尔地区火山岩分布范围和火山喷发大致时代。在火山岩地质年代学研究方面,罗修泉和陈启桐(1990)、陈生生等(2013)、刘若新等(1992)分别对本地区新生代火山岩进行了K-Ar测年,确定了达里诺尔湖与锡林浩特市之间存在上新世-第四纪的拉斑玄武岩和碱性玄武岩。在火山地质方面,20世纪70年代,林儒耕(1979)把这个区域的火山按照海拔位置划分成了三组,并对火山锥的大体形貌进行了初步描述。进入到本世纪以来,杨若昕等(2012)报道了本区的鸽子山的详细地质特征;赵勇伟等(2017)对区内晚第四纪以来形成的年轻火山与构造之间的关系进行了探讨。其它关于达里诺尔火山群的研究多集中于地球化学,如陈生生等(2013)、Guo et al. (2016)和Zhang and Guo (2016)分别对本区火山岩主微量,Sr-Nd-Pb同位素进行介绍,认为达里诺尔火山岩主要源于软流圈地幔中的辉石岩源区。

通过前人的研究,确定达里诺尔火山群是一个自中新世以至全新世持续活动的长寿命的大型火山群,其中既有来源于软流圈地幔的岩浆,也有地壳物质的重要参与;区域应力与断裂对火山的分布有重要影响。本文在野外地质调查的基础上,从火山机构与地质剖面入手,总结归纳火山群内喷发特征,寻找控制火山喷发的内在物理机制,探索造成火山差异的原因。

1 地质背景

达里诺尔火山群位于天山-兴蒙造山带中部(图1),坐落于晚海西期-印支期形成的索伦克尔缝合带上(葛肖虹和马文璞, 2014)。研究区零星出露下古生界石英片岩以及石炭系和二叠系砂岩和板岩,区内也分布有属于兴安岭组的侏罗系火山岩。第三系上新统棕红色泥岩有广泛分布,第四系地层以冲积、湖积砂砾为主。全新统的风积砂覆盖了研究区南部大范围区域(浑善达克沙地)。燕山期花岗岩是最主要的侵入岩,集中分布在研究区的东北侧(图2)。锡林浩特断裂与林西断裂在本区穿过。

传统上,锡林浩特南部的火山岩被分为北部的贝力克牧场火山岩区和南部的辉腾梁火山岩区。北部区由数级熔岩台地构成大致南北展布的“平顶山”地貌;南部区则是以大量形态各异的火山锥叠覆于东西向展布的熔岩台地之上。我们在野外勘查中发现北部岩区最南端的熔岩台地与南部岩区最北端在空间上相连,二者在形成时代上互有重叠。在本文中,将北起锡林浩特市,南至达里诺尔湖-辉腾河一线的火山岩区统称为达里诺尔火山岩区,所含火山统称为达里诺尔火山群(图2)。

图2 达里诺尔火山群火山地质图
Fig.2 Dalinor volcanic geologic map

本文在卫星解译与野外实地调查的基础上,确认出达里诺尔火山群88座火山锥体,另有约20座火山有待进一步证实。确认的火山中大部分都由渣锥构成,这些渣锥直径一般都不超过1km,单个火山熔岩流面积大多小于50km2,属于典型的单成因火山;另有部分火山是由熔岩构成的盾状火山锥,这些火山的熔岩流面积可达80km2,但由于熔岩流厚度一般小于30m,因此火山产物总体积小于10km3,也属于单成因火山。研究区内单成因火山种类齐全,喷发类型多样,保存状态完好,是我国板内单成因火山的典型代表。

2 火山喷发方式

火山喷发的基本方式有爆破式喷发(explosive eruption)、溢流式喷发(effusive eruption)和侵出(extrusion)三种。在国内其它单成因火山群中,爆破式与溢流式喷发都较为常见,但侵出式喷发相对罕见,抑或是由于特征不明显,不易为人所识,此前鲜有报道。本文在达里诺尔火山群不仅确定出多种类型的爆破式与溢流式喷发,还识别并总结出侵出式火山活动的特征。

2.1 爆破式喷发

爆破式喷发泛指以猛烈的爆炸为特点的火山喷发方式。在研究区,大部分爆破式喷发类型属于玄武质岩浆爆发中常见的夏威夷式喷发、斯通博利型喷发与强斯通博利型喷发,在个别火山出现射汽-岩浆爆发。

图3 将军岭火山锥顶部溅落堆积中的层流
Fig.3 Laminar flow in spatter cone of Jiangjunling volcano

2.1.1 夏威夷式喷发(Hawaiian eruption)

特指爆破强度弱(爆发指数<10)的熔岩喷泉喷发。研究区内大量火山锥的顶部堆积着厚层状溅落堆积。以将军岭火山为例,其顶部有近5m厚的熔结的火山集块堆积(图3)。熔岩喷泉喷发在火口周围堆积大量塑性与半塑性熔浆和碎屑,这些物质重新熔结在一起,形成熔结集块岩(agglomarate)。部分碎屑堆积在高温塑性-半塑性时发生重力崩塌,发生二次流动,其特点是流动速度慢,整体上具有熔岩流外貌,形成碎屑成因熔岩(clast-genetic lava)。

图4 双敖包斯通博利式喷发火山碎屑堆积剖面和粒度分选拟合正态分布曲线
Fig.4 The section in cinder cone of Shuanaobao volcano and the imitating normal distribution curve of particle size separation in the section

在剖面上(图3),这些碎屑成因熔岩呈层状分布,层间有相互运动而形成的碎屑错动,而层内是熔结在一起的碎屑,颗粒间没有明显的相互运动。由此推测在夏威夷式熔岩喷泉喷发过程中,塑性熔岩团块重新熔结后发生层流(laminar flow)流动。在流体动力学中,当流体以平行层面低速度下流动时,流体趋于顺层流动而不会侧向混合,流体中也没有发生漩涡;在层流中,流体颗粒的运动是非常有序的,颗粒接近于平行于层面的直线移动。重新熔结的熔浆和碎屑形成的混合物具有粘度大的特点,其流动仅受重力影响,因此流速也较低,这些因素促使其发生层流。

2.1.2 斯通博利型喷发(Strombolian eruption)

在研究区,这种类型喷发所产生的碎屑分布在火口附近,构成火山碎屑锥。以双敖包火山锥体剖面为例(图4),锥体总体堆积较为松散,剖面中常常夹杂熔岩团块或熔岩层,其中碎屑粒度较粗,以1~5cm红褐色、灰褐色火山渣为主,中间夹杂大量火山弹、熔岩饼,火山灰含量低,局部出现弱熔结现象,略显层理。碎屑锥顶部溅落堆积由褐红色厚层碎屑熔岩构成,其中火山弹、熔岩饼等碎屑重新熔结,在堆积表层出现似熔岩流构造。利用卷尺对双敖包火山碎屑锥剖面的粒度统计(统计样本总量76件)显示,火山碎屑粒径集中在1~5cm,占总数的95%。总体上反映了火山喷发过程中爆破强度较弱。

弹道抛射是斯通博利式喷发中常见的碎屑搬运方式。火山爆破喷发过程中,碎屑物质从火口高速向四周抛射,其初速度角度约在70°~90°。碎屑物质受重力与空气阻力影响沿弹道轨迹飞行并堆积于火口周围。随着火山碎屑在火口周围的逐渐堆积,受重力作用沿斜坡发生垮塌。在研究区,发现大量碎屑锥剖面中都出现逆粒序层序结构,以双敖包火山锥为例,它的剖面上显示出是由大量相互不熔结的刚性碎屑颗粒组成,每一层中都出现逆粒序层序结构(图4)。在火山喷发过程中,垮塌的碎屑可能是以颗粒流(grain flow)的形式流动。在颗粒流中,颗粒间的介质(空气)仅仅起到润滑的作用,依靠颗粒间的互相碰撞使颗粒保持悬浮。在颗粒流中小的颗粒受重力影响从大的颗粒间隙中落下,因此造成逆粒序层序结构。

图5 大敖包强斯通博利式喷发空降堆积火山渣剖面(a)和火山渣粒度分选与拟合正态分布曲线(b)
Fig.5 The section of fall-out deposits of Daaobao volcano (a) and the imitating normal distribution curve of particle size separation in the section (b)

2.1.3 强斯通博利型喷发(violence Strombolian eruption)

早期的火山学研究常把斯通博利式与强斯通博利式(或称亚布里尼式)混淆在一起。作者先前的研究以阿尔山地区哈拉哈河-绰尔河火山群高山和焰山为例总结出这种不同于典型斯通博利式火山的特殊的喷发类型所产生的碎屑特征(赵勇伟和樊祺诚, 2010)。Valentine and Gregg (2008)也对类似的喷发提出相似的认识,认为应把这种喷发做为单成因玄武质火山喷发方式的一个端元类型。这种类型的喷发与斯通博利型喷发的区别在于喷发指数更高,喷发过程中形成持续的喷发柱,火山产物中有空降火山碎屑席,如焰山、高山(赵勇伟和樊祺诚, 2010)。达里诺尔火山区内大敖包火山就属于强斯通博利式喷发。由于大敖包喷发时间较为久远,没有发现火山锥周围广泛分布的空降火山碎屑席。因此本文从火山锥体火山渣剖面上碎屑粒度分选来说明其与斯通博利式喷发的区别。在野外利用卷尺对大敖包碎屑剖面的统计表明(统计数据2095件),99%的碎屑粒径<1cm,91%的碎屑粒径<2mm(图5)。这反映了火山喷发时爆破强度大,大部分岩浆物质破碎成为火山灰,以空落的形式堆积在火口周围。

图6 伊和乌拉火山射汽岩浆喷发成因的具有平行层理的凝灰岩
灰黑火山灰加灰黄色围岩碎屑共同构成基浪堆积物
Fig.6 Tuff in Yihewula volcano with parallel bedding

空降堆积见于喷发强度较强的超斯通博利式喷发中,如上文所述大敖包火山,其在喷发过程中有持续的喷发柱,大量碎屑在上升热气流持续作用下升至高空,最终受重力影响降落堆积在火山周围,形成局部粒度分选较好的空降火山渣堆积。

2.1.4 射汽-岩浆喷发(phreatomagmatic eruption)

射汽-岩浆喷发是岩浆在向地表上升的过程中,遇到浅层的地下水、冰川或潮湿沉积物(含水层)时,水受热转化为蒸汽而引起的爆发,其产物有水蒸气和围岩或岩浆的碎屑,以急流的形式紧贴地面流动,称为基底涌流或基浪(base surge),最终形成涌流凝灰岩(surge tuff)(邱家骧等, 1996)。本文首次在达里诺尔地区发现射汽-岩浆喷发的实例。在依何乌拉火山,存在大量射汽-岩浆喷发的地质证据(图6)。伊和乌拉火山顶部为松散的火山砾与火山块构成的火山渣锥,而底部主体由凝灰岩(火山灰加围岩碎屑等基浪堆积物)构成。这些凝灰岩广泛分布在渣锥的四周,其中多为弱胶结的浅灰黄色围岩碎屑,不同比例地夹杂着灰黑色脆性破裂的玄武岩块以及不同程度磨圆的火山砾。凝灰岩中平行层理极发育,层理产状大致平行于山坡。在射汽岩浆喷发过程中,喷发物以基底涌流的形式,贴近地表高速运动,颗粒间互相磨擦造成磨圆。这是颗粒流的一种特殊形式,其中碎屑物与气体混合形成低密度流体,以非常快的速度运动,以圣海伦斯火山为例,其涌浪的速度可高达90~110m/s(Schmincke, 2004)。

图7 花特敖包火山熔岩溢流裂隙
Fig.7 Effusive fissure in Huateaobao

2.2 溢流式喷发

溢流式喷发是指熔岩沿岩浆通道以较平静的方式喷出地表,形成熔岩河,熔岩湖等。大多数爆破式喷发渐近结束之际,都会转变为熔岩从火口溢流喷发。但有的火山喷发从始至终就是平静的溢流式喷发。这是两种不同的岩浆喷发过程,与火山活动的构造控制、岩浆上升通道乃至岩浆成分有关。研究区的熔岩台地,无论形成时代早晚,都没有见到明显的火山碎屑锥,由此推测,它们最主要的形成方式就是溢流式喷发。在贝力克牧场花特敖包,中更新世形成的一级熔岩台地上,结壳熔岩表层构造明显。熔岩在此处形成一个南北走向的小型台地,台地中央部分是宽300m,长约2km的低地(图7)。推测岩浆沿裂隙状岩浆通道上涌,在地表形成火山帘,向两侧喷溢岩浆,喷发结束后,由于裂隙式岩浆补给通道冷却收缩,形成这种特殊的裂隙式熔岩溢出火口。由此我们可以推测,溢流式喷发在达里诺尔火山群中普遍存在,早期的熔岩台地可能都是这种喷发的产物。

图8 鸽子山侵出岩墙
(a)火山口内侵出岩墙外观;(b)侵出岩墙;(c)岩墙表层水平柱状节理
Fig.8 Extrusive dyke of Gezishan volcano

有的溢流式喷发沿中心式岩浆通道,在地表形成坡度低缓的火山,它们有时也会有少量碎屑组份,但总体上以熔岩流构成,外形特征上与碎屑锥明显不同。这种单成因火山的溢流成因火山在平面外形上为圆形或椭圆形,地貌上形成盾形,称为盾形火山(scutulum type)(Zhao et al., 2013)。在达里诺尔火山群,盾形火山数量只有10余座,但它们熔岩流分布面积通常很大。以阿斯根火山为例,熔岩盾体平面上呈椭圆形,长轴直径达到1200m,火山坡度约为5°,熔岩流分布面积超过80km2

2.3 侵出

当岩浆粘度大时,粘性熔岩受到内力挤压,从相对狭小的岩浆通道中挤出,形成侵出成因的岩穹或岩墙(邱家骧等, 1996)。达里诺尔火山群内岩浆侵出现象常见,分为岩墙、岩穹与岩脊。

2.3.1 岩墙

鸽子山火山口保存有平行火山口走向的一系列岩墙(图8a),这些岩墙在火山口内呈平行的阶梯状分布,每个岩墙产状近于直立,常曝露出一侧岩墙面(图8b),在这些表面上可以见到小型水平柱状节理发育,表面相对光滑(图8c),推测在火山喷发最后阶段,半塑性熔岩被挤出火口,刚出地表即冷却成固结。因其等温面平行竖直的岩浆通道,所以形成水平柱状节理。

在伊和乌拉火山中也发育大量侵出岩墙。在凝灰岩构成的火山基底中,断续有侵出岩墙出露,其中的裂理似正花状构造,岩墙中央裂理为竖直方向,向边部过渡为平行边坡产出。岩墙中致密熔岩破裂为棱柱状,在岩墙项部表层以及岩墙与凝灰岩接触面上发育球粒构造,反映出其经历过快速侵出冷动的过程。

图9 大黑山侵出熔岩脊剖面图(a)、熔结火山渣(b)和侵出熔岩剖面(c)
Fig.9 Extrusive ridge section (a), welded volcanic lapilli (b) and extrusive lava section (c) of Daheishan

2.3.2 岩穹与岩脊

以白音库仑,大黑山等为代表的火山,由一条或数条熔岩脊构成,有时形成数条熔岩脊呈放射状展布。岩穹或熔岩脊的顶部见到自碎角砾岩,以及被同成分胶结形成的角砾熔岩。这种侵出有时发生在爆破式喷发结束后,如白音库伦、大敖包,有时火山本身从开始就以侵出为主。

大黑山是侵出式成因的最典型代表。大黑山总体形态为以主峰为中心,向多个方向呈放射状分布多条山脊。山脊的中心部位为致密熔岩,边缘是呈叠瓦状分布的板状熔岩(图9a),最表层是紫红色熔结的火山渣(图9b)。这些火山渣粒度分选好,以火山砾为主,其中没有熔浆团块、熔岩饼等焊结介质。在垂直剖面上,这些火山渣呈现从表层向深部熔结程度递增的规律。在熔结火山渣之下是侵出熔岩脊。这些熔岩脊坡度陡峭,大多大于45°,表层是薄层自碎熔岩角砾层,底部是厚层的致密熔岩,这些熔岩当中常含有刚性火山岩碎块(图9c),是熔岩尚处塑性时,在侵出过程中卷入表层自碎角砾所致。

这些现象表明,在熔岩侵出时,已经产生一定的屈服强度,表现出宾汉(Bingham)型塑性流体(非牛顿流体中的一种)的流变学行为。正是由于这种特性,熔岩侵出时在强大挤压力作用下,像牙膏一样被挤出火口,在距离火口不远的地方,形成边坡陡峭的熔岩山脊。在侵位过程中,山脊中心高温的塑性流体对表层的物质,如表层冷动自碎的岩块和先前空降的火山渣,进行重新熔结并形成大黑山熔岩脊剖面中的各种地质现象。与之作为对比的是,在溢流式喷发中,基性岩浆流体在高于液相线温度条件下粘度相对较小,像水流一样受重力作用向低处流动,此时更接近牛顿流体(莫宣志等, 1999)。

3 火山喷发过程

为深入理解各种不同的喷发类型如何构成整个喷发过程,本文选取了选取大黑山,阿斯根,大敖包和伊和乌拉4个代表性火山,详细解剖其火山机构,探索火山形成过程。

大黑山火山底部是熔岩构成的盾体,之上为放射状陡峭的熔岩山脊。这表明大黑山早期发生溢流式喷发,形成直径约为2.5km的盾形火山。在此期间可能发生间歇性强爆破式喷发形成火山碎屑席;火山活动晚期主要发生熔岩侵出,从底部破坏了前期的碎屑席,使之形成熔结的火山渣,挤出的熔岩逐渐形成放射状的熔岩山脊(图10a)。

阿斯根火山主体为直径约1.2km的盾形火山(图10b),最顶部则覆盖有直径约700m的火山碎屑锥,锥体有明显的缺口,有熔岩流从中溢出。火山机构表明阿斯根火山喷发早期以溢流式喷发为主,喷发沿中心式火口或者短裂隙状火口发生,因此形成地表投影为椭圆状的熔岩盾;喷发中期过渡为爆破式喷发,以斯通博利式和夏威夷式喷发为主,形成碎屑锥;喷发晚期再次转变为溢流式喷发,熔岩沿溢出口流出,形成大范围分布的熔岩流。

图10 达里诺尔火山群代表性火山机构
(a)大黑山;(b)阿斯根;(c)大敖包;(d)伊和乌拉
Fig.10 Representive volcanic edifice in Dalinor volcanic field

大敖包火山底部是北东走向的数条熔岩脊,总长度约为2km(图10c);火山基底周围分布着空降的火山碎屑席;在熔岩脊之上覆盖着直径约为500m的马蹄形的碎屑锥,其顶部是厚约5m的层状熔结集块岩;在碎屑锥的火口位置是熔岩穹丘,长度约270m。火山机构表明大敖包火山早期发生熔岩侵出,形成一系列熔岩脊,这些熔岩脊沿北东向分布表明熔岩侵出可能沿北东向裂隙发生;火山活动中期发生强斯通博利式喷发,喷发柱形成分布在火山周围的空降火山碎屑席;后期爆破式喷发转变为斯通博利式喷发,形成火山碎屑锥;晚期火山发生溢流式喷发,最后过渡为熔岩沿火口侵出,形成熔岩穹丘。

伊和乌拉火山底部是由平行层理很发育的火山凝灰堆积形成的火山基底(图10d),直径约为1.3km,在地貌上这些火山凝灰堆积表面坡度较低,约为5°~10°;凝灰堆积中断续发育侵出的熔岩墙;凝灰堆积之上覆盖有马蹄形碎屑锥,底部直径约为600m;在火山的西侧,分布有熔岩台地。火山机构表明伊和乌拉火山早期经历射汽岩浆喷发形成火山凝灰,继之于斯通博利式喷发形成碎屑锥,最晚期过渡为溢流式喷发,产生大范围分布的熔岩台地。

总结大黑山,阿斯根,大敖包火山喷发过程,发现溢流与侵出常常穿插在爆破式火山活动过程中,从夏威夷式-斯通博利式-强斯通博利式存在多种过渡型喷发。具体到任何一个火山,其喷发的整个过程是多种形式与类型穿插。分析以上代表性火山喷发特征,得到以下总体规律:早期火山活动多以侵出和溢流为主,逐渐转变为爆破式喷发,晚期又过渡为溢流式喷发,喷发过程大体经历一个爆破强度弱-强-弱的转变。

伊和乌拉作为区别其它火山的特例,喷发以剧烈的射汽岩浆爆炸开始,后期逐渐转弱为岩浆爆破喷发和溢流喷发。值得注意的是,射汽岩浆火山凝灰的影响范围远大于碎屑锥的规模。尽管现存凝灰堆积基底直径只有1.3km,然而这是经历长时间风化之后的结果;根据哈拉哈河-绰尔河火山群中卧牛泡火山的数据,凝灰堆积初始覆盖范围有可能达到3km以上(赵勇伟等, 2008)。这些数据表明,此类射汽岩浆喷发可能会突然发生,碎屑以大约100m/s的速度迅速覆盖3km以上的范围。

4 影响火山喷发的因素

岩浆的物理化学性质,岩浆输送的频率与速率,火山通道的产状,区域应力状态和围岩类型都是影响火山喷发的因素。达里诺尔火山岩岩石地球化学性质相对单一,说明各个火山其岩浆本身的化学性质相似。区内火山属于单成因火山,说明各个火山岩浆补给频率都较低,区别不大。然而其它因素在研究区有着明显影响。

根据上文所述,溢流式喷发形成的盾形火山所产生的的火山物质面积明显大于爆破与侵出喷发;裂隙式火口溢流形成的熔岩台地在面积与体积上,都明显高于其它火山。这表明溢流式喷发相对其它几种喷发形式,有最高的岩浆输送速率,甚至可能高出一个数量级。另一方面,侵出熔岩脊的体积通常高于同一火山中碎屑产物体积,以大黑山和大敖包为代表,这说明侵出式喷发的岩浆输送速率可能要高于爆破式喷发。

对于射汽岩浆喷发,需要火山系统之外的环境中水的参与。岩浆进入潜地表时,围岩中水的含量,对是否发生水热爆炸起着决定性影响。因此围岩的类型直接影响着火山喷发类型。达里诺尔地区丰富的湖相沉积砂含水丰富,为射汽岩浆喷发提供了有利条件。

岩浆爆破式喷发在达里诺尔火山群中出现三种由强及弱的喷发类型:强斯通博利型喷发-斯通博利型喷发-夏威夷型喷发。其本质区别在于岩浆碎屑化程度的差异,换言之就是岩浆中挥发份-气泡演变过程的差异。最有可能引发这种差异的因素是岩浆上升的速度。

岩浆中的气泡体积增长有两种方式:减压和扩散(Schmincke, 2004)。当岩浆上升速度快时,气泡主要由减压产生。而当岩浆上升慢时,岩浆中溶解的挥发份扩散进入气泡,引发其体积增长。气泡的增长会导致岩浆的密度急剧减小,成为加快岩浆上升的因素。但是与此同时,岩浆也由于更快与围岩接触而加速降温,更由于气泡的加入,使岩浆的粘度加大,成为减缓岩浆上升的因素。

由以上规律,本文推测在岩浆快速上升的模式中,挥发份迅速出溶成气泡,并减压增大,岩浆与围岩的密度差迅速增大,造成岩浆更加快速上升;岩浆在这个过程中温度逐渐降低,粘度增大,趋向固结,但气泡中的高压使其碎屑化,从而引发剧烈的爆破式喷发(强斯通博利型,斯通博利型)。

当岩浆上升相对缓慢时,挥发份扩散进入到已有气泡中,造成岩浆的泡沫化;岩浆密度减小引发的增速与粘度增大引发的减速达到相对平衡,使其以较为稳定的速度与温度到达地表,最终表现为塑性熔岩弱的爆破喷发(夏威夷型喷发)。

5 结论

通过达里诺尔火山群野外地质研究,尤其是典型剖面证据,取得以下认识:

(1)确定研究区存在三种火山喷发形式:爆破式,溢流式与侵出式。在爆破式喷发的火山中,识别出四种喷发类型:夏威夷型,斯通博利型,强斯通博利型,射汽岩浆型。

(2)喷发过程是不同的喷发方式穿插于其中的:早期火山活动多以侵出和溢流为主,逐渐转变为岩浆爆破式喷发(强斯通博利式,斯通博利式),晚期又过渡为溢流式喷发,喷发过程大体经历一个爆破强度弱-强-弱的转变。

(3)不同物质组成形式的喷发物分别以牛顿流体,宾汉流体,层流,颗粒流,涌流等不同类型的运动形式,自火口向远源运动,形成差异化的火山产物。

(4)岩浆的输送速率(单位时间内通过岩浆通道的岩浆质量),岩浆上升速度,以及围岩的类型,可能是造成达里诺尔火山群多样化喷发的主要因素。

达里诺尔火山形态与喷发方式的多样性,是研究大陆板内单成因火山成因机理的理想场所,对于探索我国第四纪以来的火山活动特点及演化趋势都是不可多得的研究基地。

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ZHAO YongWei, FAN QiCheng, LI Ni, WANG JiaLong and ZOU Ying

Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, CEA, Beijing 100029, China2017-07-01 收稿, 2017-10-29 改回.

Abstract Dalinor volcanic field, which contains more than one hundred late Cenozoic volcanoes, is one of the largest monogenetic volcanic fields in China. In this field, four explosive eruption types are identified: Hawaiian eruption, Strombolian eruption, violent Strombolian eruption and phreatomagmatic eruption. Effusive eruption and slow extrusion are found in the field as well. The represented volcanic edifices indicates that the eruption episode generally endured a transition from effusive or extrusive eruption (with low VEI), through explosive eruption (with high VEI), to effusive eruption. The phreatomagmatic eruption starts with a violent magma-water explosion, and gradually changes to magmatic explosive eruption and effusive eruption. The volcanic products are emplaced through different styles: Newton fluids, Bingham fluids, grain flows, laminar flow, surge and airfall, which help to generate varying volcanic features. The magma input rate and ascending speed, as well as wallrock nature, may be the main influence factors on the diversity of eruption styles.

Key words Dalinor volcanoes; Monogenetic volcanoes; Characteristics of volcanic eruption; Ejecta transport mechanism

摘 要 达里诺尔火山群有近百座晚新生代单成因火山,其地质地貌形态各异,喷发形式多样。这些火山既有爆破式喷发,如:夏威夷式喷发,斯通博利式喷发,强斯通博利式喷发和射汽岩浆喷发;也有溢流式喷发,如盾状火山;还有岩浆缓慢侵出,如大黑山。火山群内典型火山机构表明,不同的喷发方式穿插于火山喷发过程:早期火山活动多以侵出和溢流为主,逐渐转变为岩浆爆破式喷发(强斯通博利式,斯通博利式),晚期又过渡为溢流式喷发,喷发过程大体经历一个爆破强度弱-强-弱的转变。射汽岩浆型的火山则是以剧烈的射汽岩浆爆炸开始,后期逐渐转弱为岩浆爆破喷发和溢流喷发。火山喷发过程中火山产物出现牛顿流体,宾汉流体,层流,颗粒流,涌流,空降等不同类型的运动形式,自火口向远源运动,形成差异化的火山产物。岩浆的输送速率、上升速度,以及围岩的类型,可能是造成达里诺尔火山群多样化喷发的主要因素。

关键词 达里诺尔火山群;单成因火山;喷发特征;喷发物运移机制

中图法分类号 P317.3

*本文受国家自然科学基金项目(41572320)、中国科学院B类先导项目(XDB18030100)和中国地震局地质研究所基本科研业务专项及重点项目(LED2014B05)联合资助.

第一作者简介: 赵勇伟,男,1981年生,副研究员,主要从事火山与地球内部化学研究,E-mail: zilongzhao1981@aliyun.com

Zhao YW, Fan QC, Li N, Wang JL and Zou Y. 2018. Volcanic eruption characteristics of the Late Cenozoic Dalinor volcanic field, Inner Mongolia.Acta Petrologica Sinica, 34(1):103-112

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