火山地質地熱構造探究范文
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作者：楊若昕白志達譚慶偉吳之理王妍單位：中國地質大學內蒙古國土資源廳
濺落堆積
濺落堆積疊置在降落火山渣之上(圖2)，構成晚期的濺落錐，直徑約800m，地貌上相對陡峻，坡度25°～30°，由黑色或褐紅色熔結集塊巖構成。火山彈、熔巖餅和塑性熔巖團塊濺落在火口沿上，相互焊接形成特征的熔結結構。熔結集塊巖局部具清晰的流動特征，上部還發育有較大的空洞，洞壁上見有熔巖“鐘乳”，表明濺落碎屑物堆砌的速度較快，堆積后溫度仍然很高。局部熔結集塊巖中見有硫磺礦化，反映火山噴發晚期有噴氣(H2S)作用發生。錐體西側和北東側形成兩個巖漿溢出口，西側溢出口已塌陷，使錐體西垣堆積物整體陷落，形成直徑約50m，深約30m的漏斗狀深坑。北東溢出口在巖漿溢出過程中裂解破壞了錐體，使錐體呈缺口狀(圖3a)，裂解后的錐體堆積物被熔巖流拖曳到1km以外。火山錐體東南發育一系列波狀或不規則狀分布的火山碎屑堆積物(主要為火山渣、少量火山彈)，是崩落堆積的產物。崩落堆積物呈扇狀展布，扇軸長約500m。崩落堆積物是由于晚期火山噴發時，使早期火山錐體橫向爆崩的結果(陳洪洲等，2009)。
破火口
鴿子山火山由于火山噴發強度較大，噴發歷史較長，活動的階段性明顯，巖漿溢出率較高，深部巖漿房被多次抽空，使火口發生了多次塌陷作用，形成了破火口(圖2、圖3)，破火口內壁陡直，直徑約為450m。破火口內堆積物主要為濺落及降落碎屑物，局部發育厚度很小的熔巖流，熔巖流由韻律性巖流單元組成，巖流單元單層厚度小，僅3～5cm，有些疊置呈孤立的熔巖小穹丘(圖4)，反映火山活動晚期巖漿的噴溢頻率較高，但溢出率極低，粘度較大。此外還見有火山活動末期侵出的小熔巖穹丘，這些穹丘的發育，標志著鴿子山火山活動的結束。破火口內環狀斷裂發育(圖3)，不同斷裂差異運動使火口呈階梯狀，沿斷裂有碧玄巖巖墻侵入于熔結集塊巖中(圖5)，巖墻寬約2～5m，致密堅硬，產狀近直立，發育水平柱狀節理。
熔巖流
濺落堆積之后，由于火山通道打開，巖漿溢出率增大，火山活動方式轉入大規模巖漿溢流階段(白志達等，2008)。熔巖流由西側和北東側兩個溢出口溢出，受地形影響，總體向南流淌，充填于溝谷和低洼地帶，覆蓋面積約48km2，體積約0.62km3。西側溢出口溢出的熔巖較少，熔巖流先向北流動，然后轉向南流淌，流動距離短。北東側溢出口巖漿溢出率較高，溢出的熔巖流繞過鴿子山火山錐體先向北東流動，后轉圖6鴿子山熔巖流中的噴氣錐Fig．6GeziShanfumarolicconesinlavaflow為向南流淌，并覆蓋在西側溢出口溢出的熔巖流之上(圖1)。北東側溢出口溢出的熔巖形成五個巖流單元，早期巖流單元流動距離遠，長約18km，寬一般3～4km，前緣由于受高地阻擋，又分向東、西兩側流淌，東側巖流直接覆蓋在全新世沼積物之上。熔巖流厚度在近緣及中部較大，一般為8～12m，前緣厚度較小，多為1～2m。晚期熔巖流規模明顯減小(圖1)，流動距離短，但巖流前緣厚度較大，第5巖流單元僅分布在近火口地帶，反映從早到晚巖漿的溢出率逐漸減小，粘度在增大(MarkandClaude，1997)。熔巖流類型主體為結殼熔巖，熔巖流表面光滑，局部繩狀、木排狀構造清晰。巖流的面積與厚度比很大，反映巖漿粘度較小。晚期局部發育渣狀熔巖。在阿敦楚魯一帶以及阿爾都貴烏拉晚更新世火山的西北側熔巖流中發育較多保存完好的噴氣錐、噴氣碟或噴氣塔(圖6)。噴氣錐高度一般在40～90cm之間，最大的可達170cm，直徑大多在3～4m之間，小者約1m，大者可達7～8m。噴氣碟高度很低，一般為40～60cm，直徑2～3m，形如碟子，故稱噴氣碟。少量呈塔狀，中心噴氣口幾乎封閉，僅有很小的噴氣孔，可稱噴氣塔。
噴氣錐由瓦片狀熔巖構成，不同薄熔巖片呈疊瓦狀堆砌，單層厚度變化不大，一般為1～2cm，反映發生噴氣作用的能量每次大小相近。大多數噴氣錐由20～30個巖片堆砌構成，錐體內壁多發育熔巖刺或熔巖鐘乳，部分噴氣錐中心堆積有類似濺落堆積的塑性熔巖渣塊。噴氣錐的形成與熔巖流的流速、厚度、體積、粘度以及熔巖流流經的地理條件等因素有關(靳晉瑜等，2006;趙勇偉等，2008)，野外考察表明，鴿子山噴氣錐主要分布在地形相對平緩、熔巖流厚度不大的區域，且熔巖流堆積在沼積物之上，反映熔巖流曾流經沼澤洼地。當高溫熔巖流流經沼澤等富水濕地時，熔巖流下部的水體將被氣化，水蒸氣局部富集，壓力不斷增大，此時如果熔巖流流動速度足夠緩慢，甚至停滯時，當壓力達到一定限度，就會沖破上覆熔巖流表面而形成噴氣孔，周期性的噴氣作用，將沖破的熔漿碎片噴到巖流表面，堆砌形成噴氣錐。由于厚度一定的熔巖流，所需沖破熔巖流的底部壓力大致相似，故每次噴出的熔漿碎片的厚度和大小也相似。當巖流底部水體耗盡或熔漿的粘度增大時，就會抑制噴氣造錐作用的進行。噴氣錐這種特殊的熔巖流表面構造反映了熔巖流的流速、粘度、溫度及堆積定位環境。在巖流的中遠端，還常發育有“翻花石”構造，表明結殼熔巖的表殼形成后，后續巖流的推擠或拖曳作用仍很強。
火山碎屑席
鴿子山火山早期爆發強度較大，在火口之上已形成了以浮力為主要上升營力的噴發柱(Matthew，2007)。粒徑較粗的火山碎屑物受重力的影響降落在火口周圍形成降落錐。相對細粒火山碎屑物被噴發柱攜帶到高空，并在定向風力的影響下(白志達等，2006)，飄散降落在錐體東側，形成向東南撒開的扇狀火山碎屑席(圖1)。火山碎屑席主要由火山渣和火山灰組成，呈黑色或灰黑色，尖角狀或不規則狀。覆蓋在晚更新世黃土或玄武巖之上，其上為全新世深褐色含火山渣的腐殖土。由火山錐向外厚度逐漸減薄，碎屑物粒度逐漸減小，部分地段由于受雨水沖刷和風蝕作用的影響，厚度變化較大，甚至斷續分布。在距錐體約5.5km處火山渣厚約20cm，中值粒度Mdφ為5mm左右。火山碎屑物與黃土接觸面附近還發育厚約1cm的烘烤層，反映離錐體較近的火山渣降落后仍有較高的溫度。
火山噴發物特征
鴿子山是一座亞布里尼式玄武質火山，火山噴發物主要為熔巖流、熔結火山碎屑巖和松散的火山碎屑物，火山噴發末期有碧玄質巖墻侵入。熔巖流以結殼熔巖為主，少量為渣狀熔巖，巖性主體為碧玄巖，火山活動末期在火口內出露少量橄欖拉斑玄武巖。碧玄巖呈灰黑色，氣孔或塊狀構造，氣孔含量變化較大，5%～30%不等，斑狀結構，基質為間隱間粒和隱晶質結構，熔巖流表面以玻璃質結構為主。斑晶主要為橄欖石和單斜輝石，橄欖石斑晶新鮮，粒狀，大小約為0.1～0.3mm，含量約10%，單斜輝石呈短柱狀，偶見穿插雙晶，為含鈦的普通輝石，粒徑平均在0.5～0.8mm左右，含量約5%。基質主要由微晶斜長石、鈦鐵氧化物、少量輝石和堿性長石及火山玻璃組成。橄欖拉斑玄武巖僅出露在火口內，是火山活動末期的產物，巖石呈深灰色，氣孔狀構造，氣孔含量較高，氣孔間連通性好，呈薄層狀。斑狀結構，基質為間隱或玻璃質結構。斑晶主要為單斜輝石和斜長石，粒徑約1mm左右，含量約15%，橄欖石斑晶少量，約為0.1～0.4mm，基質主要由微晶斜長石、少量輝石和鈦鐵氧化物及火山玻璃組成。松散火山渣呈黑色或褐紅色，氣孔十分發育，氣孔多不規則，內壁新鮮，很少有附著物。比重小，形狀復雜，大小不一，幾乎全由玻璃質組成，為浮巖渣。熔結集塊巖僅分布在濺落錐上，呈磚紅色，由塑性、半塑性的火山彈、熔巖餅和漿屑組成，碎屑物大小不一，大者可達1.5m，一般5～30cm，塑變強烈，彼此平行排列，緊密焊接，形成特征的熔結結構和假流紋構造，是濺落碎屑物快速堆積的產物。部分濺落碎屑物堆積在錐體上仍保持高溫狀態，碎屑之間相互焊接彌合成為整體，在重力的作用下，又可發生流動，形成碎成熔巖流。西南側火口沿上發育熔結程度低的粘結集塊巖。碧玄巖和錐體火山渣中含有較多輝石、歪長石巨晶和二輝橄欖巖包體。空間上巨晶和包體主要分布在錐體及其附近，遠離錐體的熔巖中僅偶見。輝石巨晶長一般在3～5cm左右，大者可達7～8cm，色澤黑亮，邊緣多發育淺色角閃石和鐵質的反應邊(圖7)，局部含量可以達到5%～10%，反映玄武質巖漿在深部巖漿房曾發生過分異作用。沿環狀斷裂侵入的碧玄質巖墻呈灰黑色，致密塊狀，主要由長條狀斜長石和他形輝石及鈦磁鐵礦組成，結晶較好，為間粒結構，局部具輝綠結構特征。碧玄巖SiO2介于43.42%～45.04%，平均為43.99%，MgO介于8.44%～10.49%，平均為9.25%，Mg#較高，暗示巖漿來源較深。Al2O3平均含量在10%左右。K2O含量變化于2.19%～2.51%，Na2O含量變化在3.61%～4.31%之間，Na2O+K2O為4.85%～6.91%，K2O/Na2O＜1，為0.56～0.63之間，屬于鈉質堿性玄武巖。Fe2O3、FeO變化較大，大部分熔巖FeO＞Fe2O，而火口沿上的濺落堆積FeO＜＜Fe2O3，反映巖石的FeO、Fe2O3含量與氧化環境密切相關。標準礦物Ne＞5%、5%＜Ol＜25%，Ab、Or、鈦鐵礦(Il)、磁鐵礦(Mt)含量較高。橄欖拉班玄武巖的SiO2(51.52%)和Al2O3(14.39%)偏高，而FeO、CaO、K2O、MgO等含量均偏低，K2O+Na2O的值變低，巖石堿度較碧玄巖明顯減弱(表1)。碧玄巖稀土∑REE變化小，為202.8×10－6～259.5×10－6，LREE/HREE為8.50～10.31，(La/Yb)N比14.43～22.27，稀土配分曲線如圖8，曲線右傾，屬輕稀土富集型，輕、重稀土分餾明顯，不具銪異常，為典型的大陸裂谷型玄武巖配分模式。末期橄欖拉斑玄武巖(X8)稀土配分曲線為一近水平的直線，稀土總量∑REE、LREE/HREE與(La/Yb)N的值均很低，與原始地幔配分形式相似，可能是富集地幔熔融出較多碧玄巖巖漿后的殘余地幔再熔融的產物，即是殘余地幔再次部分熔融的結果(夏林圻等，1994)。
碧玄巖微量元素蛛網圖如圖9，曲線右傾，強不相容元素富集，Ba、Nb、Ta和Pb具有正異常，Rb、Th、Hf具弱的負異常，無明顯的Sr異常，說明巖漿在上升過程中未遭受地殼物質混染。大離子親石元素Rb、Sr、Ba等的豐度較高，反映巖漿可能來源于富集地幔。橄欖拉斑玄武巖(X8)蛛網圖與碧玄巖差異很大，與原始地幔曲線總體相似，是殘余地幔部分熔融的結果。大量輝石、歪長石巨晶及二輝橄欖巖包體的出現和巖石化學、地球化學特征表明，碧玄巖巖漿直接來源于深部地幔高壓巖漿房(楊建軍，1988)，基本為原生巖漿，但在深部巖漿房經歷了一定結晶分異作用。巖漿上升過程中未經過地殼巖漿房階段(劉若新等，1999)。橄欖拉斑玄武巖是火山噴發末期產物，僅分布在火口內，呈侵出小穹丘產出，巖石化學、地球化學與碧玄巖差異很大，與原始地幔特征相似，可能是融出碧玄巖巖漿后的殘余地幔再部分熔融的結果。
火山噴發過程
鴿子山火山噴發方式較為復雜，早期階段屬于亞布里尼式噴發，由于深部巖漿上升減壓，原來溶解在巖漿中的揮發份逐漸出溶，使得巖漿通道內的壓力增大，巖漿噴出地表時表現為強烈的爆破式噴發(白志達等，2008)，碎屑化程度較高的巖漿碎屑物被拋向高空，并在火口之上形成了以浮力為主要上升營力的噴發柱。噴發柱中粗粒級碎屑物由于受自身重力及空氣阻力等的影響，直接降落在以火口周圍，形成降落渣錐。由噴發柱攜帶到高空的細粒級火山碎屑物在定向風的影響下，飄散至錐體東南，形成面積較大的火山碎屑席。降落堆積后，火山活動暫時停息。晚期階段在早期降落錐東南側發生橫向爆崩作用，形成崩落堆積。隨后由于巖漿通道打開，處于相對開放環境，火山活動轉為熔巖噴泉式噴發，形成濺落堆積，碎屑化程度很低的高溫塑性熔漿團塊、熔巖餅和火山彈濺落在火口沿上，相互焊接形成濺落錐。濺落錐形成之后，巖漿中的揮發份急劇減少，巖漿上升速率加快，火山作用方式轉變為熔漿的溢流，熔漿首先從西溢出口溢出，然后從北東溢出口溢出。溢出的結殼熔巖是熔巖流主體，晚期形成少量渣狀熔巖，渣狀熔巖的出現暗示火山溢流活動已接近尾聲(白志達等，2008)。大量熔巖流溢出后，火口發生塌陷，形成了典型的破火口，由于塌陷，殘余巖漿沿環狀斷裂侵入，形成輝綠巖墻。火口塌陷后，火山活動進入調整期，復活活動期僅在破火口內形成小型熔巖穹丘，橄欖拉斑玄武巖侵出穹丘的出現最終堵塞了火山通道，標志著鴿子山火山活動結束。
火山噴發時代
錫林浩特火山群火山活動時代以往多認為主要是晚更新世(楊建軍，1988;羅修泉和陳啟桐，1990;劉俊杰等，2008)，實際上大規模火山活動從上新世開始，貫穿了整個第四紀。晚更新世是活動的鼎盛時期，全新世已屬尾聲。鴿子山火山活動可分為早、晚兩個階段，早期為爆破式噴發，形成火山渣錐和碎屑席，晚期主要為溢流式噴發，形成濺落錐和大規模熔巖流。據火山形貌特征、錐體風化降解程度、堆積物接觸關系，結合熱釋光測年，初步確定鴿子山火山活動時代為晚更新世末期到全新世。其主要依據是:(1)火山形貌與結構特征:鴿子山火山地形地貌保存完整，火山錐、火山口和熔巖流基本未遭受風化剝蝕的改造。火山錐由降落錐與濺落錐疊置而成，雄偉陡峻，火口為一塌陷的破火口，火口緣窄小，破火口內側崎嶇陡直，錐體風化降解程度很低。錐腳處熔巖溢出口清晰，仍保留了原始形態。熔巖流的展布受近代地形控制，順勢流淌分布在溝谷和低洼地帶。熔巖流表面流動構造清晰完好，如繩狀和木排狀構造基本未遭受風化改造。部分地段熔巖流中的噴氣錐除個別被人為破壞外，均保存完好。熔巖流之上僅有少量風成砂，基本無風化土壤，植被很少。火山的形貌特征表明鴿子山火山噴發的時代較新。(2)地層接觸關系:地層的疊覆關系是確定相對時代的直接依據。鴿子山熔巖流在阿爾都貴烏拉西側和第一巖流單元的東南緣覆蓋在全新世的沼澤淤泥之上(圖10)，表明鴿子山火山的熔巖流無疑屬全新世。(3)同位素年齡:鴿子山東側約5.5km處的一塌陷坑剖面良好，火山碎屑席覆蓋在晚更新世黃土之上，厚度約為20～30cm，其上又被厚約30cm的全新世含火山渣的深褐色腐殖土覆蓋。火山渣底部發育厚約1～2cm磚紅色烘烤層，取烘烤層樣品進行熱釋光測年，測試結果為22.41±1.90ka(中國地震局地殼應力研究所測試)，距今約2萬年。鴿子山火山活動可分早、晚兩期，早期是較強的爆發，晚期主要是濺落堆積和大規模熔巖溢出，晚期噴火口明顯向西遷移，表明早、晚期噴發之間有一定間隔，熱釋光年齡可能代表鴿子山早期爆發的大致時限。火山形貌特征、錐體風化降解程度、完好的噴氣錐以及地層和堆積物的相互關系表明，鴿子山火山噴發大致時代為晚更新世末期到全新世，至少晚期噴發屬全新世。
結論
(1)鴿子山火山是錫林浩特-阿巴嘎火山群內結構完整的一座中心式玄武質火山，由火山渣錐、碎屑席和熔巖流構成。火山遭受風化剝蝕作用弱，火山地貌清晰，結構完整。碧玄巖、熔結火山碎屑巖和松散火山渣是主要火山噴發物，碧玄巖中含較多輝石、歪長石巨晶和二輝橄欖巖包體。鴿子山火山以結構完整、活動時代新、爆發強度高、發育破火口以及含較多輝石巨晶區別于火山群內其它火山;
(2)火山活動可分為兩個階段，早期階段爆發強度較大，在火口之上形成了以浮力為主要上升營力的噴發柱，屬亞布里尼式噴發。晚期噴發主要表現為濺落堆積和大規模熔漿溢出。整個火山的噴發時代為晚更新世末-全新世，其中晚期噴發屬全新世;
(3)鴿子山是錫林浩特-阿巴嘎火山群內目前確定的唯一最新火山，這對該區深部構造巖漿活動和新構造以及火山災害預警研究具有重要意義。也是難得的火山遺跡資源，具有很高的觀賞價值，合理開發利用，對當地經濟可持續發展有積極意義。
