吉林龍馬火山群火山碎屑基浪堆積

吉林龍馬火山群火山碎屑基浪堆積

火山碎屑的基浪沉積代表了一種重要的火山巖作用，由快速擴(kuò)張、低密度蒸汽密度流（即基浪）形成。分布在中國(guó)雷瓊半島、吉林咸豐、內(nèi)蒙古阿爾山等現(xiàn)代玄武巖火山噴發(fā)區(qū)。同時(shí)，它也可以在燕成澤的中性破火山噴發(fā)盆地中看到。顯然,對(duì)前者的研究無(wú)疑對(duì)火山噴發(fā)期次的劃分、火山噴發(fā)成因類(lèi)型的研究、火山巖地層的對(duì)比、火山機(jī)構(gòu)與相模式的建立、火山噴發(fā)成因機(jī)理探討、火山災(zāi)害預(yù)測(cè)與評(píng)估、旅游資源開(kāi)發(fā)等有著積極意義[5,6,7,8,9,10,11,12,13],對(duì)后者的研究則有利于古火山機(jī)構(gòu)的恢復(fù)和火山碎屑地層劃分與對(duì)比。由于該類(lèi)火山噴發(fā)碎屑物結(jié)構(gòu)構(gòu)造、堆積特征易與地質(zhì)歷史時(shí)期火山碎屑巖區(qū)流水沉積物、火山碎屑流堆積物等相混肴。因此,有必要對(duì)該類(lèi)堆積物特征與成因機(jī)理進(jìn)行總結(jié)與探討。1大龍頂子期火山渣的形成時(shí)代龍崗火山群位于吉林省東部輝南縣、靖宇縣境內(nèi)的龍崗山脈中段,在約1700km2范圍內(nèi)分布有100多個(gè)大大小小玄武質(zhì)巖漿爆破成因的火山渣錐、熔巖錐、濺落錐和射汽巖漿成因的低平火山口[2,3,5,6,7,8,9,10,11]?；鹕饺褐饕湓谔胖姹須r和變質(zhì)深成巖構(gòu)成的基底之上,為新近紀(jì)以來(lái)的火山活動(dòng),活動(dòng)時(shí)限較長(zhǎng),最新噴發(fā)距今約1500～1600年,化學(xué)成分以單一粗面玄武巖為主。大地構(gòu)造位置上龍崗火山群屬華北地臺(tái)北緣,位于北東向的敦化—密山斷裂與圖門(mén)江—鴨綠江斷裂之間,中生代之后進(jìn)入板內(nèi)活化發(fā)展階段,新生代以來(lái),由于太平洋板塊向西俯沖,使吉林省東部發(fā)生板緣裂谷火山作用,形成一系列北東向、北西向和近東西斷裂構(gòu)造與斷陷盆地,并引起強(qiáng)烈的火山活動(dòng),構(gòu)成了雄偉壯觀的龍崗火山群。龍崗火山群火山碎屑基浪堆積物形成時(shí)代以往研究均劃歸為早更新世,系統(tǒng)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),基浪堆積物的形成具有多期性,多數(shù)低平火山形成于晚更新世(另有文章詳述),但大龍灣低平火山可能形成于全新世或至少在全新世時(shí)期曾有活動(dòng)。在金川鎮(zhèn)東,大龍灣基浪堆積物明顯蓋在金龍頂子晚期火山渣之上,金龍頂子晚期火山渣覆蓋在金龍頂子早期火山渣之上,后者頂部已遭受長(zhǎng)期風(fēng)化并形成粘土層,并被金龍頂子晚期火山渣烘烤,粘土熱釋光年齡為2000aB.P.,金龍頂子晚期火山渣14C年齡為1600aB.P.左右。因此,大龍灣的最后活動(dòng)時(shí)限應(yīng)晚于金龍頂子晚期火山渣的時(shí)限。早更新世代表性低平火山有三角龍灣、四海龍灣、龍泉龍灣、大甕圈、南龍灣、甕圈、東龍灣、二龍灣等,全新世以大龍灣為代表(表1、圖1)。就每一期火山噴發(fā)旋回而言,射汽巖漿噴發(fā)往往作為火山活動(dòng)主體噴發(fā),晚期可能伴有斯通博利式巖漿爆破式噴發(fā)或/和夏威夷式熔巖流溢出,熔巖流的大量溢出,標(biāo)志著火山活動(dòng)接近尾聲。2基浪堆積層產(chǎn)狀的變化根據(jù)低平火山口是否殘留有火山口湖、低平火山是否存在熔巖流溢出口及后期是否有熔巖流流入等特征分析,吉林龍崗低平火山平面形態(tài)大致可劃分三類(lèi):第一類(lèi):以金川鎮(zhèn)三角龍灣、四海中心參場(chǎng)四海龍灣和龍泉鎮(zhèn)龍泉龍灣為代表。其特征表現(xiàn)為平面上呈圓形—橢圓形,無(wú)溢出口,火山口內(nèi)積水成火山口湖,火山沿最高點(diǎn)與周?chē)牡屯莸刈畹忘c(diǎn)的相對(duì)高差約有50～100m,與龍灣湖平面相對(duì)高差約30～50余米。火山口內(nèi)側(cè)大部分因射汽巖漿噴發(fā)、塌陷而保留不完整,局部地段出露有下伏基巖,未塌陷的地段基浪堆積層產(chǎn)狀朝火山口內(nèi)傾,傾角一般為10o～45°之間,至火山沿產(chǎn)狀漸變水平,錐體外側(cè)產(chǎn)狀總體外傾,傾角由0o漸變過(guò)渡為22o不等,至錐腳低洼外巖層產(chǎn)狀又趨于平緩。受地形的控制,在基浪堆積物前緣地帶巖層產(chǎn)狀與地形坡向相同,這種產(chǎn)狀變化完全取決基巖古地形和火山碎屑涌流爬升能力的大小,為較典型的凝灰環(huán)(Tuffring)。第二類(lèi):以金川鎮(zhèn)大翁圈、四海參場(chǎng)甕圈、龍泉鎮(zhèn)南龍灣、東龍灣等低平火山為代表,與第一類(lèi)相比較不同之處在于低平火山存在一熔巖流溢出口,火山口很少能積水而形成瑪珥式火口湖,即是有積水其水深較淺,一般為幾米。熔巖流溢出口是晚期夏威夷式熔巖流溢出時(shí)肢解錐體所致,由此可見(jiàn)該類(lèi)火山在噴發(fā)過(guò)程中火山作用方式有明顯的轉(zhuǎn)變,由射汽巖漿噴發(fā)轉(zhuǎn)為巖漿型噴溢,火山形態(tài)上保留了典型的低平火山凝灰環(huán)的形態(tài)(火口沿相對(duì)高度60～100m),晚期疊加有火山降落渣錐或熔巖穹丘,是射汽巖漿和巖漿噴發(fā)復(fù)合作用的產(chǎn)物。第三類(lèi):以金川鎮(zhèn)大龍灣為代表,火口積水形成火口湖。火口湖東西長(zhǎng)約1100m,南北寬約900m,水深85.6m,火口沿最高點(diǎn)相對(duì)高差約80m。與第一類(lèi)相比較其東南緣被金龍頂子晚期熔巖流注入覆蓋,火口沿不完整。堆積物的擴(kuò)散距離約3～4km,在2.5km以外火山碎屑涌流仍有很快的速度和爬升能力,可爬升約150m的高山。3不同巖相組織結(jié)構(gòu)的火山發(fā)育特征通過(guò)不同低平火山的不同部位觀察,吉林龍崗低平火山共發(fā)育以下巖相單元:①具正遞變層理中細(xì)礫,薄層或透鏡狀,礫石為二輝橄欖巖、花崗片麻巖、玄武質(zhì)火山渣、橄欖石及輝石巨晶等碎屑構(gòu)成,大小一般為0.2～30cm不等,未固結(jié),碎屑顆粒呈次圓狀—次棱角狀,分選較差,凝灰質(zhì)充填,底面總體上平直,局部見(jiàn)有明顯的沖蝕槽(圖2);②具塊狀層理厚層塊狀含礫中粗粒火山砂,固結(jié)程度較好,碎屑顆粒大小混雜,磨圓度較差;③發(fā)育低角度板狀交錯(cuò)層理中粗?！屑?xì)粒砂,固結(jié)程度較好,分選中等,次棱角狀;④發(fā)育丘狀層理中粗?！屑?xì)粒砂,固結(jié)程度較好,分選中等,次棱角狀;⑤發(fā)育槽泊層理(圖3)中粗?！屑?xì)粒砂,固結(jié)程度較好,分選中等,次棱角狀;⑥灰色、灰綠色薄層發(fā)育平行層理細(xì)?；鹕缴?分選較好,次棱角狀—次圓狀;⑦灰色、灰黃色薄層火山灰,固結(jié)程度相對(duì)較好,發(fā)育平行層理;⑧灰色、深灰色具遞變層理細(xì)礫級(jí)—中粗砂級(jí)火山渣,略顯層理,疏松,分選較差,次棱角狀。不同巖相單元有序疊加構(gòu)成低平火山的堆積序列。堆積序列相對(duì)較復(fù)雜,旋回性明顯,總體上以射汽巖漿噴發(fā)物為主,晚期夾有少量的巖漿噴發(fā)火山渣。如龍泉鎮(zhèn)龍泉龍灣低平火山至少表現(xiàn)為兩次射汽巖漿噴發(fā),第一次噴發(fā)至少可劃分出3個(gè)旋回和多個(gè)低級(jí)別的小旋回,每個(gè)旋回或小旋回中組成的韻律十分明顯,每個(gè)韻律均由兩部分組成:(1)下部單元為粗碎屑物質(zhì),厚度薄,一般為10～20cm,由二輝橄欖巖、花崗片麻巖、玄武質(zhì)火山渣、橄欖石及輝石巨晶等碎屑構(gòu)成,碎屑顆粒呈次圓狀—次棱角狀,分選差,凝灰質(zhì)充填,橫向上部分延伸不穩(wěn)定呈透鏡狀,底面總體上平直,局部見(jiàn)有明顯的沖蝕槽。(2)上部單元為細(xì)碎屑物質(zhì),厚度極薄,為毫米—厘米級(jí),延伸穩(wěn)定,多由火山灰級(jí)凝灰物組成,偶含粗碎屑礫,與下伏粗碎屑物堆積分界線(xiàn)截然。多個(gè)韻律在垂向上有序疊加構(gòu)成每個(gè)旋回或小旋回堆積序列,具體表現(xiàn)為每個(gè)旋回或小旋回下部以粗碎屑層占主體,夾少量細(xì)碎屑層,平行層理及低角度斜層理發(fā)育,上部或以粗碎屑層與細(xì)碎屑為主,或以細(xì)碎屑層為主夾少量粗碎屑透鏡體,發(fā)育低角度斜層理、丘狀層理、槽泊層理。3個(gè)旋回和5個(gè)小旋回在垂向又有序疊加構(gòu)成早期噴發(fā)總相序,即上下部旋回中小旋回較發(fā)育,中部旋回小旋回不發(fā)育。第二次噴發(fā)可劃分出2個(gè)旋回,下部旋回以射汽噴發(fā)為主,主要由上述韻律上部單元細(xì)碎屑層構(gòu)成,發(fā)育平行層理及槽泊層理,與下伏第一次噴發(fā)呈明顯的交切關(guān)系(圖4);上部旋回下部以巖漿噴發(fā)的灰色、灰黑色火山渣為主,發(fā)育遞變層理,而上部為以射汽噴發(fā)細(xì)碎屑層為主,發(fā)育平行層理。4火山沿外沿坡、堆積物厚度低平火山地形上表現(xiàn)為不對(duì)稱(chēng)的正態(tài)曲線(xiàn)形式,火山口內(nèi)壁相對(duì)較陡,火口沿外側(cè)的外沿坡由陡漸緩,直至快速過(guò)渡過(guò)為低洼的平地。同樣地,堆積物的產(chǎn)狀、厚度、顆粒大小、堆積構(gòu)造變化也存在同樣的變化規(guī)律(圖5、圖6)。(1)產(chǎn)狀:火山口內(nèi)壁巖層傾向火山口,傾角相對(duì)較陡,一般為30°～40°之間,火山沿巖層產(chǎn)狀較平緩,火山沿外沿坡巖層向外傾斜,傾角較緩,多為0～20°之間,低洼平地產(chǎn)狀較平緩,近于水平,前緣因受古地形影響產(chǎn)狀隨地形變化而變化;(2)堆積物厚度:火山口內(nèi)壁地層厚度較薄,一般不超過(guò)5m,局部地段甚至無(wú)堆積物,直接出露下伏的花崗片麻巖,火口沿地層厚度最大,如龍泉龍灣一采砂坑可視厚度達(dá)21m?；鹕窖赝鈧?cè)外沿坡厚度介于火口沿與低洼平地厚度之間,而低洼平地巖層厚度較薄,一般為幾十厘米,直至尖滅;(3)碎屑物顆粒大小:火山口內(nèi)壁、火口沿及外沿坡靠火口沿一側(cè)總體以粗碎屑堆積為主,夾少量細(xì)碎屑堆積,向外至低洼平地過(guò)渡為以細(xì)碎屑堆積為主;(4)堆積構(gòu)造:火山口內(nèi)壁、火山沿以發(fā)育似平行層理、低角度斜層理、槽泊層理為主,局部見(jiàn)有沖蝕槽,火山沿外側(cè)的外沿坡主要發(fā)育丘狀交錯(cuò)層理、低角度斜層理及沖蝕槽,低洼平地發(fā)育平行層理,偶見(jiàn)沖蝕槽,底面平直。5近地表斷裂系統(tǒng)吉林龍崗火山群位于吉林省東部,直接坐落在太古界花崗質(zhì)片麻巖結(jié)晶基底之上。早更新至近代吉林省龍崗地區(qū)為中低山區(qū),氣候溫暖潮濕為主,無(wú)冰川活動(dòng)痕跡;太古界花崗質(zhì)片麻巖基底又較致密,孔隙度與滲透率較低,基本上為非滲透層和非含水層。由此,可推斷吉林龍崗射汽巖漿噴發(fā)形成所需的水源可能來(lái)源于近地表的斷裂系統(tǒng)。因太平洋板塊向西俯沖引發(fā)板緣裂谷火山作用,幔源部分熔隔玄武質(zhì)巖漿沿深大斷裂上升至地表附近與斷裂帶中地下水發(fā)生相互作用而爆炸,形成基浪堆積物和低平火山。與此同時(shí),低平火山形成晚期因火山噴發(fā)而卸載,壓力降低,巖漿通道被打開(kāi),斷裂帶水體被耗盡或被分隔,晚期巖漿以斯通博利式火山噴發(fā)形式的玄武質(zhì)濺落渣、火山碎屑渣疊加在基浪堆積物之上或沖破低平火山沿溢出口呈夏威夷式溢出形成的熔巖流(圖6)。6基浪堆積物及火山的沉積特征射汽巖漿噴發(fā)是一種快速擴(kuò)張、汽—固相低密度流—基浪,是地下熾熱巖漿在上升到地表過(guò)程中與表層水體相互作用而成,其堆積物與堆積序列既有別于火山碎屑巖區(qū)的地面流水沉積物,又有別于火山碎屑流形成的堆積物。(1)射汽巖漿噴發(fā)與火山碎屑流均為密度流,流動(dòng)能量較高,堆積物分布往往不受地形控制,流動(dòng)單元易越過(guò)溝谷谷坡兩側(cè),谷坡與谷底堆積厚度相似;火山碎屑巖區(qū)的地面流水流動(dòng)能量較少,沉積物僅分布于溝谷內(nèi),向谷坡兩側(cè)趨于尖滅。(2)基流堆積物主要物源為巖漿噴發(fā),少量來(lái)源下伏基巖,常見(jiàn)深源包體如二輝橄欖巖、橄欖石及輝石巨晶,后期時(shí)常疊有空降的火山渣或火山灰,碎屑顆粒多呈次圓狀——次棱角,分選中等—較差;火山碎屑巖區(qū)的地面流水沉積物是先形成的火山碎屑物經(jīng)水動(dòng)力改造后再沉積下來(lái)的,碎屑顆粒以次圓狀為主,分選中等—較好;火山碎屑流堆積物主要源于巖漿噴發(fā)形成噴發(fā)柱崩塌而成,后期時(shí)常疊有空降火山渣或火山灰,碎屑顆粒多呈塑變特征,分選較差—差。(3)基浪堆積物無(wú)論是粗碎屑還是細(xì)碎屑均由高頻韻律構(gòu)成,單層厚度較薄,毫米級(jí)—厘米級(jí)常見(jiàn),很少超過(guò)1m;地面流水沉積物與火山碎屑流堆積物韻律單層厚度較大,一般為幾十厘米,甚至達(dá)幾米。(4)基浪堆積物因高能量沖擊波作用底界面一般為較平直的剪切面,局部見(jiàn)有沖蝕凹槽,堆積物內(nèi)部發(fā)育大量的平行層理、低角度交錯(cuò)層理、丘狀交錯(cuò)層理、槽泊層理、正、逆遞變層理、塊狀層理;火山巖區(qū)地面流水沉積物底界面為凹凸不平的沖刷面,沉積物內(nèi)部發(fā)育水平層理、平行層理、槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理、遞變層理、塊狀層理;火山碎屑流堆積物底界面較平直,內(nèi)部除遞變層理、塊狀層理、假流紋構(gòu)造發(fā)育外其它層理構(gòu)造不發(fā)育。(5)基浪堆積物平面上大