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《中国地震局地质研究所》 2007年
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长白山天池火山全新世爆炸喷发的岩浆脱气作用研究

李霓  
【摘要】: 长白山位于我国东北吉林省与朝鲜民主主义共和国的交界处,在我国的部分地处吉林省延边朝鲜族自治州安图县和白山市抚松县境内,历经悠久喷发而形成了目前所见的巨大规模山体。 本论文讨论了天池火山全新世喷发物的矿物和岩石化学演化特征,通过对主矿物碱性长石斑晶中熔融包裹体的高温热台测试、电子探针分析和红外光谱分析测试,多方面探讨天池火山在全新世爆炸喷发过程中的岩浆脱气作用和对环境的灾害性影响。 根据岩浆化学演化和地球物理深部探测结果,天池火山之下存在两个不同的岩浆房——地幔岩浆房和地壳岩浆房。长白山天池火山从来自地幔的造盾阶段钾质粗面玄武岩母岩浆,经历造锥阶段地壳岩浆房的结晶分异作用形成粗面岩,造锥晚期出现碱流岩,全新世则以爆炸喷发的碱流质浮岩为主,最后喷出少量粗面质熔结凝灰岩和浮岩。天池火山的岩浆演化符合分离结晶作用的演化趋势,橄榄石、辉石和斜长石等主矿物的结晶分异起了决定性的作用。造盾钾质粗面玄武岩中橄榄石成分为透铁橄榄石;造锥和全新世喷发物中橄榄石接近Fa端员。造盾阶段除出现普通辉石外,在基质中有少量次透辉石;而造锥阶段和全新世喷发物中为富Fe贫Mg的钙铁辉石。造盾阶段的长石成分为斜长石,属于基性的拉长石;造锥阶段和全新世喷发时大量出现的是富K、Na的高温碱性长石,成分也从歪长石(Na_2O>K_2O)向透长石(K_2O>Na_2O)演化。矿物化学成分和岩石主量元素变化一致表明,岩浆是从相对富MgO、CaO向富SiO_2、Na_2O、K_2O方向演化。这些特点与火山岩REE、微量元素和Sr-Nd同位素地球化学一道,表明天池火山全新世火山岩与造锥、造盾火山岩是同源岩浆演化的产物,基性岩浆分异的总趋势为越向晚期碱性越强。 天池火山在全新世曾有多次喷发,根据天文峰一带的喷发物特征和层序,从早到晚分为三个喷发期:第一喷发期(Ⅰ),距今约5000~4000年的淡黄色碱流质浮岩;第二喷发期(Ⅱ),公元1000年左右大规模喷发(下文称“千年大喷发”)的灰白色碱流质浮岩;以及第三喷发期(Ⅲ),距今约300~100年前喷发的灰黑色粗面质浮岩及熔结凝灰岩。泡沫状浮岩和气孔发育的各种火山碎屑岩,说明大部分气体已通过岩浆脱气作用散发到空气中。 在天池火口和圆池(天池东30 km)的千年大喷发浮岩碱性长石斑晶中发现两种形貌、相态、成分都截然不同的熔融包裹体,分别称“火口组”和“园池组”。前者寄主晶为透长石,熔融包裹体棕黄色,形态极不规则,气泡丰富,部分包裹体有脱玻化现象并含有子晶,说明当时喷发后有足够的冷却时间;后者寄主晶为歪长石,熔融包裹体无色透明且不含子晶,多为浑圆形,其成分与寄主晶成分相平衡。电子探针测试发现,“火口组”和“圆池组”样品在TAS分类图上分属粗面岩和流纹岩两种截然不同的化学成分,而根据化学成分和CaO/Al_2O_3比值判断,“圆池组”熔融包裹体成分比“火口组”成分更为演化,为千年大喷发前岩浆房中存在成分不同的岩浆提供了证据。 天池火山全新世三期喷发物(碱流质-碱流质-粗面质)中熔融包裹体的均一温度:第一喷发期938℃~1014℃之间;千年大喷发期,分别是850℃~926℃和1005℃~1024℃之间;第三喷发期974℃~1062℃之间。上述实验结果说明第一、三期喷发的岩浆温度相差不大,但出现较宽的均一温度范围,这不仅与熔融包裹体的大小、实验的升温速率有关,还可能与它们的成分不同也有密切关系。对于千年大喷发期情况则较为复杂,实验结果表明当时有两个不同温度段的熔体存在。 “差异法”数据显示挥发分H_2O的情况与Cl相同,含Cl高的“圆池组”熔融包裹体含H_2O量也高,它们之间存在着正相关关系。经Nicolet Magna-IR 550红外光谱仪对熔融包裹体中H_2O的直接测定,千年大喷发产物中熔融包裹体的含水量高达1.6%~3.6%,这是国内首次发表的对熔融包裹体中H_2O的直接测定数据。此次测试的所有样品中都没有检测到CO_2的明显谱峰,说明当时CO_2含量低于检测限。而两组样品中S含量相近。岩浆中S不仅在喷发时脱气,更可能是一个连续的脱气过程,喷发时的脱气量仅占总脱气量的一部分。研究还表明“圆池组”包裹体比“火口组”包裹体经历了更广泛的S脱气,前者S/Cl比值比后者低得多。上述分析结果表明,天池火山在发生千年大喷发时极富碱质的流纹质岩浆中已富集了相当数量的H_2O和Cl,喷发时强烈脱气,这决定了当时发生的是爆炸式喷发。根据当时火山喷出物的总质量与各挥发分的浓度,利用“岩石学法”估算喷出的S和Cl含量达到百万吨和千万吨数量级,挥发分H_2O的含量还要更高。在有史记载以来的火山喷发中,天池火山的这次大喷发,其喷出的卤素含量可列全球火山喷发中的第二位。 “火口组”和“圆池组”熔融包裹体的存在对天池火山的千年大喷发具有重要意义,揭示了喷发前岩浆房的非单一成分,“火口组”代表了岩浆房中较原始的成分,挥发分(H_2O、Cl)含量较低;“圆池组”代表了相对演化的成分,挥发分含量也较高。两种熔体赋存于地壳岩浆房的不同层位,分别被不同的碱性长石结晶时包裹于矿物内,千年大喷发时通过不同的岩浆通道喷出地表,它们可能是在同次大喷发的不同序列中喷出的。 天池火山造盾阶段的钾质粗面玄武岩来源于地幔岩浆房的喷发,造锥阶段粗面岩和全新世碱流岩来源于地壳岩浆房的喷发。岩浆的结晶分异作用和混合作用是天池火山岩浆演化的两个最重要过程,前者形成天池火山双峰式火山岩分布特征,后者成为天池火山千年大喷发的触发机制。天池火山在晚更新世-全新世碱流质岩浆主喷发期还兼有少量玄武质粗安岩、粗安岩或粗面质岩浆的交替喷出,揭示了天池火山地壳岩浆房熔体的分层结构特点,地壳岩浆房中岩浆进一步演化,逐渐富集大量挥发分,由于地幔粗面玄武质岩浆的注入导致不同层位岩浆的扰动和混合作用,触发了天池火山的千年大喷发。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P317

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