中國(guó)東北地區(qū)的火山成因

中國(guó)東北地區(qū)的火山成因

1關(guān)于大陸邊緣弧和形成機(jī)制的問(wèn)題許多科學(xué)家對(duì)中國(guó)東北的現(xiàn)代火山活動(dòng)、深源地震和西太平洋停滯板的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了興趣。他們進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究和火山活動(dòng)，并取得了一些成果（劉若新，1998年；張顯康等，2002；唐吉，1997年；趙大鵬等，2004）。對(duì)于中國(guó)東北地區(qū)的火山形成機(jī)制,一直存在著分歧和疑義,提出了多種觀點(diǎn),至今仍懸而未決。吳利仁等(1982)認(rèn)為中國(guó)東部中生代火山作用發(fā)生的大地構(gòu)造環(huán)境是與俯沖作用有關(guān)的大陸邊緣弧;王東方等(1985)則認(rèn)為東北火山活動(dòng)屬于大陸裂谷火山作用的結(jié)果;Miyashiro(1986)提出的在上地幔存在一個(gè)不同于“熱點(diǎn)”的“熱區(qū)”,“熱區(qū)”運(yùn)移到我國(guó)的東北地區(qū),是東北的火山的主要物質(zhì)來(lái)源;而Iwamori(1992)的濕區(qū)形成機(jī)制認(rèn)為,俯沖板塊的島弧和弧后區(qū)的火山活動(dòng)是由于非虧損地幔上涌引起的,地幔揮發(fā)分上涌積累了相變水和其他揮發(fā)分物質(zhì),它們引起礦物固相線溫度的降低,這時(shí)稱為“濕區(qū)”;劉若新等(1998)從巖石學(xué)角度研究的結(jié)果認(rèn)為,太平洋板片消減到我國(guó)東北時(shí)的深度達(dá)600km左右,板塊運(yùn)動(dòng)使上地幔的巖漿向上運(yùn)移,在上地幔頂部和地殼內(nèi)分別生成地幔巖漿房和地殼巖漿房;湯吉提出太平洋俯沖板片在我國(guó)東北600km處折曲脫“水”,這種“水”可能以融體、結(jié)晶礦物水或其他形式上涌至上地幔軟流圈,產(chǎn)生地幔流體聚集而形成巖漿房;馬莉等(2000)提出的軟流圈單向環(huán)流模式和Peietal(2005)提出的上地幔大對(duì)流模式等。至于哪種觀點(diǎn)更適合于解釋東北地區(qū)的火山的形成機(jī)制,需要進(jìn)行深入的研究。本文將回顧在東北火山地區(qū)利用大地電磁測(cè)深得到的地殼上地幔電性結(jié)構(gòu)的研究成果,以及近期得到的上地幔及地幔過(guò)渡帶電性結(jié)構(gòu)的結(jié)果,基于電性結(jié)構(gòu),探討一種可能的火山形成機(jī)制。2活動(dòng)陸緣期20世紀(jì)20年代中期東北地區(qū)位于西太平洋板塊俯沖帶的弧后區(qū),處于中朝板塊北部及與西伯利亞板塊過(guò)渡的復(fù)雜構(gòu)造演化帶,是古亞洲構(gòu)造域和環(huán)太平洋構(gòu)造域構(gòu)造疊加作用最顯著的地區(qū),也是中國(guó)東部中、新生代構(gòu)造活動(dòng)和火山活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一(劉若新等,1999;王東坡等,1999)。東北地區(qū)的火山成線狀分布在松遼盆地周邊,主要分布帶為沿長(zhǎng)白山、撫密斷裂帶、依蘭伊通斷裂帶、大興安嶺和松遼盆地北緣(圖1)。其中,已證實(shí)的現(xiàn)代活動(dòng)火山區(qū)為長(zhǎng)白山天池火山區(qū)、龍崗火山區(qū)、鏡泊湖火山區(qū)、五大連池火山區(qū)和五岔溝-阿爾山火山區(qū)等。自元古代至古生代末,華北與西伯利亞兩大板塊及其中間地塊的不同期次、不同規(guī)模的俯沖、消減、對(duì)接、碰撞,使大陸邊緣不斷增生,海域逐漸消失,最后導(dǎo)致海西運(yùn)動(dòng)末期興蒙海槽閉合,形成統(tǒng)一的歐亞大陸(殷長(zhǎng)建等,2000;王東坡等,1999)。中、新生代以來(lái),東亞大陸經(jīng)歷了古亞洲洋構(gòu)造域向大陸邊緣的過(guò)渡、轉(zhuǎn)換,以及古太平洋板塊開始向亞洲大陸下俯沖等過(guò)程,使其轉(zhuǎn)化為活動(dòng)大陸邊緣(劉德來(lái)等,1997),古太平洋板塊向大陸下俯沖引起板片脫水和熱流上升,導(dǎo)致大規(guī)?；鹕阶饔煤蛶r石圈的機(jī)械與熱減薄(劉德來(lái)等,1994,1996)。在早白堊世早期,火山活動(dòng)趨于減弱,上地殼伸展發(fā)育裂谷盆地(劉德來(lái)等,1996)。進(jìn)入早白堊世晚期,由于陸緣地體拼貼,俯沖帶長(zhǎng)距離后退,巖石圈伸展的熱動(dòng)力消失,處于熱異常的巖石圈開始向熱平衡轉(zhuǎn)化,盆地發(fā)展進(jìn)入后裂谷期,發(fā)育成大型坳陷盆地。在這種動(dòng)力學(xué)和構(gòu)造背景下,巖石圈發(fā)生脆性斷裂、韌性剪切變形,走滑和伸展共存,導(dǎo)致在不同的基底上形成不同類型、規(guī)模和具有不同演化歷史的中、新生代沉積盆地(王東坡等,1999),與此同時(shí),形成和發(fā)育一系列NE或NNE向左旋走滑斷裂帶,也發(fā)生了一系列的玄武巖漿噴發(fā)。3地磁波觀測(cè)結(jié)果地球的電導(dǎo)率(或電阻率)是揭示地球內(nèi)部狀態(tài)的最重要的物理參數(shù)之一,它對(duì)于地球內(nèi)部的溫度、流體、熔融和揮發(fā)分的存在及其體積含量等異常靈敏(Shanklandandetal,1977;Karato,1990等)。大地電磁方法在地下的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu),特別是深部電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)揮了巨大的作用,成為探測(cè)火山區(qū)深部結(jié)構(gòu)最主要的地球物理方法之一。“九五”期間,湯吉等(2001;2005)在東北長(zhǎng)白山火山區(qū)和阿爾山火山區(qū)、詹艷等(1999)在五大連池火山區(qū)、朱仁學(xué)等(2001)在鏡泊湖火山區(qū)分別進(jìn)行了大地電磁測(cè)深探測(cè)研究,得到了這幾個(gè)火山區(qū)下的地殼電性結(jié)構(gòu),這幾個(gè)火山的巖漿上升通道在探測(cè)結(jié)果中有清楚的顯示(圖2)。在長(zhǎng)白山火山區(qū)及其附近沿著5條傘狀測(cè)線和1條北西向測(cè)線進(jìn)行了61個(gè)大地電磁測(cè)深點(diǎn)的觀測(cè)。對(duì)觀測(cè)資料使用Robust等技術(shù)進(jìn)行了處理,得到了大地電磁響應(yīng)和反映地下橫向不均勻性的地磁感應(yīng)矢量;使用阻抗張量分解技術(shù)(Bahr,1989)消除了局部不均勻體的畸變影響;使用RRI二維自動(dòng)反演技術(shù)(SmithandBook,1991)和大地電磁三維數(shù)值模擬對(duì)資料進(jìn)行了解釋。結(jié)果表明:在長(zhǎng)白山天池及其以北和以東地區(qū),約12～25km深處存在東西寬5～6km南北寬約8km,電阻率為10到幾十歐姆米的低電阻率地質(zhì)體,并且有向下延伸的趨勢(shì)(湯吉等,1997;2001),推測(cè)它可能是地殼巖漿囊(圖2a)。在五大連池火山區(qū),沿著3條東西向測(cè)線和2條南北向測(cè)線進(jìn)行了71個(gè)大地電磁測(cè)深點(diǎn)的觀測(cè)。采用同樣的資料處理和分析技術(shù)對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行了處理、分析和解釋。結(jié)果表明,在地殼內(nèi)部存在一個(gè)鉚釘狀高阻的巖漿通道,認(rèn)為是已經(jīng)固結(jié)的巖漿通道,是一個(gè)冷卻的巖漿囊(詹艷等,1999),在中地殼還存在有局部的低阻區(qū),可能與熱狀態(tài)有關(guān)(圖2b)。鏡泊湖火山區(qū),沿著1條北東東向測(cè)線和6條北西向測(cè)線進(jìn)行了30個(gè)大地電磁測(cè)深點(diǎn)的觀測(cè)。使用一維和二維反演技術(shù)得到了地下結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,在測(cè)區(qū)中部30km以下存在一個(gè)截面不規(guī)則的北東向拉長(zhǎng)的“倒喇叭”狀的低阻體(朱仁學(xué)等,2001),該柱體的電阻率從上到下也呈漸變形式減小,是歷史火山噴發(fā)的巖漿通道,其電阻率從下地殼的幾十歐姆米減小到70km附近的幾歐姆米,推測(cè)為地下熱狀態(tài)在逐漸增強(qiáng)。在阿爾山活火山區(qū),沿一條垂直火山噴發(fā)帶進(jìn)行了7個(gè)大地電次測(cè)深點(diǎn)的觀測(cè),采用二維非線性共軛梯度反演得到了沿剖面的地下電性結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn),新、老兩條火山噴發(fā)帶存在通往深部的巖漿通道,其中新的活火山帶地下在10～12km還保持著較高的熱狀態(tài),很可能富含流體,在30～50km處可能是地幔向上的供熱通道,而老火山帶30km以上可能存在一個(gè)正在冷卻的巖漿通道,兩條火山條帶在深部可能是同源的(湯吉等,2005)(圖2c)。4深度和深度演化的電導(dǎo)率隨深度的變化會(huì)受到到基在東北吉林和遼寧省內(nèi),我們與日本東京大學(xué)合作以及國(guó)家自然科學(xué)基金支持開展了沿12條長(zhǎng)途電話線的大地電磁網(wǎng)(Network-MT)的觀測(cè),以探測(cè)研究1000km以上的地幔電性結(jié)構(gòu)。對(duì)觀測(cè)資料采用遠(yuǎn)參考Robust處理技術(shù)(Chave,1987)進(jìn)行了資料處理,采用最光滑模型(Occametal,1987)和最小結(jié)構(gòu)模型(Parketal.,19916)等反演技術(shù)進(jìn)行了處理和解釋。研究結(jié)果表明(圖3),上地幔電導(dǎo)率總體上隨深度的增加而加大的趨勢(shì),但存在明顯的局部電導(dǎo)率隨深度增大或減小的變化特點(diǎn)。在700km深度以上存在幾個(gè)明顯的高導(dǎo)電帶:80～120km,200～250km,350～430km和600～700km,它們分別位于軟流圈頂界附近、Lamann間斷面附近、地幔過(guò)渡帶的上、下邊界附近。初步解釋認(rèn)為,其中80～120km的帶是具有特殊重要構(gòu)造意義的熱邊界帶,與巖石圈和軟流圈的邊界面對(duì)應(yīng);200～250km與上地幔的速度不連續(xù)帶,有人認(rèn)為它是一個(gè)相變帶(榴輝巖—>橄欖巖),但從電導(dǎo)率大小來(lái)看,這一高導(dǎo)帶很可能與溫度和流體有關(guān),推測(cè)這一深度可能存在部分熔融物質(zhì);360～430km相當(dāng)于上地幔過(guò)渡帶的上邊界,也是一個(gè)波速變化帶或變化界面,有人認(rèn)為這是一個(gè)由橄欖石相向α尖晶石相轉(zhuǎn)變的礦物的相變帶;600～700km對(duì)應(yīng)地幔過(guò)渡帶下邊界,這也是一個(gè)地震波速不連續(xù)界面,實(shí)驗(yàn)研究表明,它與礦物相變有關(guān)(γ尖晶石相→鈣鈦礦),其上部主要表現(xiàn)為γ尖晶石,下部主要為鈣鈦礦(占體積的90%以上)。此外,通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)地幔過(guò)渡帶的電導(dǎo)率分布和世界其它構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)(Nealetal.,2000)的比較發(fā)現(xiàn),中國(guó)東北地區(qū)的地幔過(guò)渡帶的電導(dǎo)率比其它地區(qū)高0.2～1個(gè)數(shù)量級(jí)。地震CT結(jié)果顯示該區(qū)的地幔過(guò)渡帶為高地震波速帶,解釋為停滯的板條,溫度較低(Fukaoetal.,1992)。而對(duì)于低電阻率的過(guò)渡帶,一種可能的解釋是,東北地區(qū)地幔過(guò)渡帶存在停滯板舌,可能由于俯沖板舌攜帶流體水或礦物水致使該板條的電導(dǎo)率升高(Ichikietal.,2001;湯吉等,2003)。5火山成因分析對(duì)長(zhǎng)白山天池火山的地殼上地幔結(jié)構(gòu)探測(cè)研究表明,在長(zhǎng)白山天池火山區(qū)存在巖漿囊(湯吉等,1997,2001a;張先康等,2002)?；『髤^(qū)活動(dòng)火山的巖漿囊是不可能孤立地存在于地殼內(nèi),因?yàn)?地殼中沒(méi)有足夠的熱源給予補(bǔ)充并維持其長(zhǎng)期保持熔融狀態(tài),它一定與深部地幔的巖漿囊有直接的關(guān)系。在五大連池火山區(qū)、阿爾山火山區(qū)和鏡泊湖火山區(qū)雖然不存在地殼巖漿囊,但是探測(cè)到來(lái)自地幔的巖漿通道。大地電磁網(wǎng)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)了與這些火山活動(dòng)相關(guān)地幔巖漿源。中國(guó)東北屬于西太平洋俯沖板塊弧后區(qū),太平洋俯沖板塊的俯沖前鋒已經(jīng)穿過(guò)我國(guó)松遼盆地(Zhaoetal.1994;Fukaoetal,1992)。中國(guó)東北地區(qū)自新生代以來(lái),曾發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)烈的玄武巖噴發(fā)(劉若新等,1999;Liuetal.,2001),Liu等(2001)利用地球化學(xué)和年代學(xué)手段研究了東北火山活動(dòng)序列以及和日本海張開的關(guān)系,表明東北地區(qū)的火山活動(dòng)序列與日本海的張裂有著時(shí)間上的關(guān)聯(lián)。劉若新等(1998)曾經(jīng)從巖石學(xué)角度對(duì)長(zhǎng)白山火山成因機(jī)理的進(jìn)行過(guò)研究。通過(guò)對(duì)電性結(jié)構(gòu)的研究和分析,我們認(rèn)為東北地區(qū)火山的形成取決于地下流體和俯沖帶結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。圖4為東北火山區(qū)巖漿囊的深部成因推測(cè)圖。Thompson(1992)對(duì)上地幔中水的研究表明,對(duì)于像西太平洋這樣的成熟(或冷)的俯沖板條,通常的含水礦物主要表現(xiàn)為致密含水的鎂-硅酸鹽(DHMS),它們攜帶的水至少可以到達(dá)660km的地震波速不連續(xù)面,而在這種深度上,水是以融體和礦物組分存在,并且融體可以上升到巖石圈地幔。西太平洋板舌俯沖到地幔過(guò)渡帶后,660km的地幔不連續(xù)面起著板舌繼續(xù)向下俯沖的屏障作用,使得俯沖板舌被壓扁而沿著水平方向繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),在中國(guó)東北變成停滯板舌,穿過(guò)圖門江—琿春裂谷帶地下約600km深處,并且在此形成由俯沖板舌變成停滯板舌的一個(gè)拐點(diǎn),長(zhǎng)白山火山、鏡泊湖火山及琿春深地震區(qū)均處在這個(gè)拐點(diǎn)附近。俯沖板舌在俯沖過(guò)程中,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度時(shí),受到環(huán)境的高溫高壓的作用,發(fā)生巖石的相變脫水、含水礦物受擠壓脫水以及俯沖過(guò)程中因摩擦發(fā)生熔融產(chǎn)生水,這些脫水過(guò)程,不僅發(fā)生在俯沖板舌,而且發(fā)生在400～660km的地幔過(guò)渡帶(停滯板舌)中。水的存在,顯著降低了巖石的熔融溫度,也降低了巖漿的粘滯度和密度,增強(qiáng)了巖漿的遷移能力。巖漿中的水大大地?cái)U(kuò)展了火成巖的組份范圍,巖漿的這些物理和化學(xué)性質(zhì)的擴(kuò)展效應(yīng)直接取決于水。在俯沖帶的島弧區(qū),俯沖板舌發(fā)生了強(qiáng)烈的相變和脫水,水沿著一定的路徑向上遷移,在50～120km的深度形成地幔巖漿囊,這就是島弧火山的深部物質(zhì)來(lái)源。到了弧后區(qū),板舌變?yōu)橥膮^(qū)段,板舌的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化,在這種新的應(yīng)力狀態(tài)下,相變脫水產(chǎn)生的流體會(huì)相對(duì)豐富,并以融體或揮發(fā)分的形式向上遷移到一定的深度(200～250km),在這里形成一個(gè)流體集中區(qū),部分流體進(jìn)一步上涌至80～130km,并產(chǎn)生熔融,地幔巖漿囊受到大陸巖石圈的限制,產(chǎn)生側(cè)向滲透,形成了規(guī)模較大的巖漿囊。而全球著名的琿春深源地震區(qū)也處在該板舌俯沖方向變化的區(qū)域。上部地幔巖漿囊沿著構(gòu)造薄弱帶上涌,到地幔頂部的某個(gè)部位聚集后產(chǎn)生玄武巖漿噴發(fā),噴發(fā)結(jié)束后,部分巖漿殘留在地殼,噴出的巖漿以及滯留在噴出通道的巖漿冷卻后形成了地殼巖漿上涌的屏障,形成地殼巖漿囊,如果地殼巖漿囊能不斷得到地幔巖漿囊的熱補(bǔ)充,并使周圍的巖石產(chǎn)生熔融,則形成熔融或部分熔融的低阻巖漿囊,它形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氣體,積累能量,當(dāng)?shù)貧r漿囊的能量積累到一定程度就發(fā)生新的噴發(fā),如長(zhǎng)白山形成天池火山。噴發(fā)后又進(jìn)行新一輪的巖漿和能量積累,最近研究表明來(lái)自下部地幔玄武質(zhì)巖漿向地殼巖漿房的補(bǔ)給,導(dǎo)致巖漿的混合作用和爆破噴發(fā)(樊祺誠(chéng)等,2005)。火山活動(dòng)的長(zhǎng)期存在,一定要有地幔巖漿囊不斷的熱物質(zhì)補(bǔ)充。6火山活動(dòng)與東北方板塊焊接作用長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)東北地區(qū)的火山作用和形成機(jī)制進(jìn)行了大量研究,得到了十分有意義的結(jié)果。殷長(zhǎng)建等(2000)對(duì)東北地區(qū)的火山巖漿作用環(huán)境和形成進(jìn)行了歸納和總結(jié),發(fā)現(xiàn)研究區(qū)火山的火山巖漿作用是區(qū)域巖石圈某階段發(fā)展演化諸多方面不可分割的一個(gè)重要環(huán)節(jié),研究區(qū)中生代以來(lái)火山巖漿作用的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展史及區(qū)域性巖石圈的演化,無(wú)論是在空間上、時(shí)間上,還是在物質(zhì)成分上,無(wú)不與洋陸的互動(dòng)有關(guān),即相鄰的泛太平洋板塊相對(duì)大陸板塊運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)化及速率的變更,在幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)方面都存在著同向、同步、同源的對(duì)應(yīng)、協(xié)同關(guān)系,構(gòu)成一幅井然有序的動(dòng)態(tài)圖形,揭示出各類重要地質(zhì)事件的節(jié)律,受其成因背景和驅(qū)動(dòng)機(jī)制—圈層耦合效應(yīng)所控制。趙海玲等(1998)對(duì)東北地區(qū)中生代火山巖巖石學(xué)特征與盆地形成的研究表明,東北地區(qū)中生代火山巖作用與俯沖作用有關(guān)。而單純用俯沖作用并不一定能夠解釋長(zhǎng)期以來(lái)存在的疑義,還與拉伸背景下或在大陸裂谷有關(guān),是由于大洋的俯沖與巖石圈的拆沉共同作用的結(jié)果。然而,東北地區(qū)的裂谷伸展和西太平洋的俯沖作用是相輔相成的關(guān)系,裂谷伸展是由于板塊俯沖作用的結(jié)果,因此,可以歸結(jié)為板塊俯沖的結(jié)果。Liu等(2001)利用地球化學(xué)和年代學(xué)方法對(duì)東北地區(qū)的火山活動(dòng)序列進(jìn)行了歸納和總結(jié),結(jié)果表明,東北地區(qū)中生代以來(lái)的火山活動(dòng)與日本海張開與東北裂谷的形