长白山天文峰剖面全新世火山喷发物长石风化溶蚀特征及地质意义

张秉良 许建东 史兰斌 盘晓东

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)吉林省地震局，长春 130022

长白山天文峰剖面全新世火山喷发物长石风化溶蚀特征及地质意义

张秉良1)许建东1)史兰斌1)盘晓东2)

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)吉林省地震局，长春 130022

利用扫描电镜和能谱分析研究了长白山天池火山天文峰剖面全新世喷发物中长石表面风化溶蚀显微形貌和化学组成，结果显示：天文峰剖面从顶部黑色浮岩向下到暗灰色浮岩中，长石表面发育风化溶蚀不同的显微形貌结构。其特征有，风化初期的溶蚀作用主要在双晶缝、解理缝等结构薄弱部位，形成规模较小的溶孔和溶缝等，随着风化溶蚀程度的增加，已经形成的溶蚀痕迹进一步扩大、合并、相互贯通而形成矩形溶孔或棱柱状溶孔。长石晶体上溶蚀痕迹的扩大受长石晶体各向异性的控制。天文峰剖面火山喷发物时代越早，长石颗粒表面风化溶蚀程度越强，结构越复杂;火山喷发物时代越晚，长石颗粒表面风化溶蚀程度越弱，结构越简单。即长石表面风化溶蚀程度与火山喷发的时代具有一定的相关性。根据长石颗粒表面的显微形貌结构，认为漫江林场浮岩与天文峰剖面中灰色浮岩应是火山同一次喷发的产物。长石表面风化溶蚀度可以作为判定火山喷发精细序列的一个代用指标。能谱分析显示，较新鲜的长石表面与风化溶蚀的长石化学组成不同。长石风化溶蚀的显微形貌和化学组成反映了它是天然风化、溶解、淋滤，最后又有物质沉淀的自然成因。Fe元素则可能与微生物作用有关。详细研究长石表面的风化溶蚀特征，它将有可能成为从岩石微观方面探讨火山喷发后环境变化和火山喷发期次的一种新方法。

长白山火山 长石 扫描电镜 风化溶蚀 显微形貌

0 引言

长石是地壳中最常见的造岩矿物，长石的风化溶蚀动力学是矿物地球化学研究的重要内容之一。国内外对长石类矿物进行了大量的热力学和溶解动力学研究，以探讨温压条件、流体的性质、长石的类型和结构对长石类铝硅酸盐矿物溶蚀的控制作用及其机理，尤其对风化溶蚀和水岩相互作用(Water Rock Interaction)过程中流体——矿物反应的研究更加关注。随着新的理论和现代分析、测试技术不断被引入长石风化作用的研究，国内外相继发表了一批有价值的研究成果，其内容主要集中在溶液的pH值、离子强度、温度及有机酸的含量对长石溶解速率的影响方面(Wilson，1975;Berner，1977;Kanaorie et al.，1985;Althaus，1989;Casey et al.，1990;Blum et al.，1991;Kawano et al.，1997，2001; 史基安等，1994; 马在平等，1997;Chen et al.，2000;罗孝俊等，2001;肖奕等，2003;胡瑞林等，2005;张永旺等，2009)，目前国内长石风化的研究主要涉及长石风化溶蚀实验及花岗岩、砂岩中风化长石表面结构特征及其影响因素(史基安等，1994;马在平等，1997;罗孝俊等，2001;胡瑞林等，2005;张永旺等，2009)，然而有关火山浮岩长石风化溶蚀的报道较少。火山喷发物是保存火山活动遗迹的载体，火山喷发物中长石表面的风化溶蚀记录并保留了有关火山喷发后环境变化和年代的多种信息，详细研究长石表面的风化溶蚀特征，用以探索火山喷发后的环境变化和火山喷发期次，它将有可能成为从岩石微观方面研究火山喷发后环境变化和喷发期次的一种新方法。

许多研究者认为长白山天池火山全新世以来曾发生过规模不等的多次喷发(刘嘉麒，1995，1999;刘祥等，1997;刘若新，2000)。但是由于很难获得可供测试绝对年龄的样品(仅在个别层位中有14C样品)和用于地层对比的确切标志，因此目前对于天池火山全新世以来喷发多少期次，尚缺乏有说服力的证据。而且利用矿物微观特征研究火山喷发之后环境变化的更少，天池火山不同期次喷发物中都含有碱性长石，本研究以碱性长石这一标志性矿物为直接测定对象，采用SEM+EDX(扫描电镜和能谱仪)观测天文峰剖面全新世火山喷发物碱性长石表面的风化溶蚀特征，并对其形成机理进行探讨。

1 样品与实验方法

图1 天文峰上天池火山喷发的不同颜色的浮岩The pumices of various colors produced by the eruption of Tianchi volcano at Tianwenfeng.

天池火山口缘的天文峰出露多期次火山喷发的空降浮岩堆积物，这一剖面目前是人们认可的连续原始沉积堆积之一(图1)，Tw1样品采自天文峰顶部，是历史喷发形成的黑色渣状浮岩，其厚度约50cm左右，可能是公元1668年的火山喷发物(刘若新，2000);Tw2样品为灰色浮岩，其厚度约200cm，为千年喷发物(刘若新，2000);Tw3样品为黄色浮岩，厚约500cm，Tw4样品为浅黄色浮岩，厚约500cm，这2种不同颜色的浮岩目前被统称为4000年喷发物(刘若新，2000);Tw5样品为下部暗灰色浮岩，厚约1000cm，称为5000年喷发物(刘若新，2000);Za样品是局部杂色浮岩，其中含有不同颜色的岩屑，厚度约100cm，此层从岩石组成上与其他5个样品明显不同，这层物质不在连续原始沉积剖面序列之中，应放在哪个位置，目前尚有不同看法，本文暂且不把它放在序列中。Ml样品采自漫江林场浮岩。所有浮岩都是泡沫状，SiO2含量在64.8%～71.7%之间，KO2含量在4.67%～6.08%之间①吉林省地震局，中国地震局地质研究所，2003，长白山天池火山近代活动历史(工作报告)。。将浮岩样品用浮选法选出钾长石，用10%的稀盐酸处理和蒸馏水清洗，以除去长石表面的附着物，然后在双目镜下挑出200～300个单晶颗粒，把它们分散粘贴在有导电胶带的SEM铜样品台上，颗粒相互不掩盖。最后，在真空镀膜机上喷一层金膜，用LEO-435VP型SEM+EDX观察、分析长石表面微观形貌特征。本次研究的样品采样位置如图1所示。

2 测试结果

2.1 长石的表面结构

将天文峰剖面不同层位中的长石逐一进行扫描电镜观测，研究发现，每一层位风化长石表面显微形貌特征都是比较复杂的，但经详细观察、对比、分类，在所有长石中仍可找出其共同点和差异之处，如不同层位中长石的表面显微形貌共同特征有：溶缝、溶孔、风化溶蚀以及积淀物(硅膜)等;不同的特征是风化溶蚀程度、硅膜分布(另文讨论)存在差异。现分述如下：

(1)新鲜表面，几乎无风化，表面贝壳状 (图2a)，无溶蚀迹象。

(2)溶缝，不连续溶蚀缝(图2b)，随着长石风化程度的提高，此类溶蚀缝的连续性、宽度、深度将明显增加，当它们拓宽到一定程度后，可能在横向上相互贯通(图2c)。图2d反映的是歪长石晶体(具钠长石律聚片双晶)双晶接合面的溶蚀结构，该面上见到的主要溶蚀痕迹包括棱柱状溶孔、平行溶孔(箭头所示)。根据密集的平行溶孔，可进一步推断图2d中的长石是具钠长石律聚片双晶的歪长石上的一个单晶体，溶蚀缝是由水溶液顺解理溶解长石形成的。

(3)溶孔，溶蚀痕迹可按形态、组合特征分为2种类型，即①近于正交的2组直缝(图2e);②矩形溶孔、棱柱状溶孔(图2f，箭头所示)。前者是水溶液顺着歪长石格子双晶的双晶结合面溶蚀形成的，推测是由于化学键在双晶的接触界面较弱，因此溶蚀优先在双晶结合缝处开始。后者可能是风化溶蚀的晶穴。

(4)风化溶蚀形成的鳞片状结构、盘形状结构等，长石风化溶蚀程度不同，其显微形貌特征不同(下面将详细讨论)。

2.2 长石风化溶蚀类型

碱性长石在天池火山浮岩中是最主要的造岩矿物之一。自浮岩喷出地表以来，长石就开始风化，随着风化时间的增加，长石风化溶蚀程度将逐渐加深，经过颗粒、元素的迁移、流失，最后到长石完全从浮岩中消失。笔者利用扫描电镜和能谱分析对天池火山长石这一标志性矿物表面风化溶蚀状况进行研究，在所观察的长石表面，一般都有程度不同的风化溶蚀，尽管溶蚀结构很复杂，但仍可从中选择2个主要的方面进行观察统计和分类：1)长石表面溶蚀由不发育到发育，孔洞由小到大;2)溶蚀结构由简单向复杂转变。观察统计结果表明，这2个方面的变化往往是同步进行的，但只要抓住这2个特征的变化，就可以进行风化溶蚀程度的划分。为此，本文重点分析了天文峰剖面不同颜色浮岩中长石表面显微形貌的变化规律，进而划分其结构类型。观察统计表明，虽然天文峰剖面浮岩中的长石显微形貌结构很复杂，但每一层位中的长石都有自己的主要特征结构。为了进行对比研究，扫描电镜下图像尽量采用相同的放大倍数，根据上述2个特征即按长石表面光滑度、凸凹程度以及孔洞的发育状况由简单向复杂排列，可以划分出5类结构(图3，表1)：

图2 长石表面SEM特征Fig.2 SEM features of feldspar surface.

Ⅰ类 梨皮状结构，长石表面一般光滑，稍有溶蚀，无明显的凸凹坑，坑深一般＜0.1μm;

Ⅱ类 盘形状结构，这类结构溶蚀坑较发育，坑表面积大小悬殊，大的直径可达到4μm，小的直径 ＜0.3μm，但溶蚀坑较浅，一般约0.1 ～0.3μm;

Ⅲ类 浅鳞片状结构，这类结构形似鳞片状，部分在同一方向上成线状排列，凸凹程度相当，坑深一般约0.3 ～0.5μm;

Ⅳ类 深鳞片状结构，这类结构也似鳞片状，凸凹程度不一。鳞片的发育程度远强于Ⅲ类，坑深一般约0.5 ～1.0μm，直径 ＜1μm;

表1 长石表面形貌结构分类Table 1 Classification ofmicrostructures of feldspar surface

Ⅴ类 虫蛀状结构，此类结构长石表面随机发育复杂的洞孔和磨钝的突起，若以表面测得的孔洞深度作为凸凹程度，坑深量级一般约1～3μm，直径3～4μm。

天池地区不利于岩石风化的因素较多，如气温低、地势高、降雨少等，加之天文峰剖面浮岩年代较新，因此长石的风化溶蚀一般发育在长石颗粒的凸起部位，因为这些部位表面积最大，键力最弱，最容易风化。

长石颗粒表面的显微形貌结构，认为应当是长石形成后的年代“记忆”。换句话说，长石形成后所经历的时间记录在长石颗粒表面溶蚀的形貌特征上。

2.3 天文峰剖面长石风化溶蚀特征

按照上述风化溶蚀形貌特征分类，将天文峰剖面长石在扫描电镜下观察、统计，结果显示：天文峰剖面顶层黑色浮岩中长石表面约80%为梨皮状结构;灰色浮岩中长石80%以上为盘形状结构;黄色浮岩长石80%以上为浅鳞片状结构;浅黄色浮岩长石中深鳞片状结构＞80%;下部暗灰色浮岩中的长石表面约85%具有虫蛀状结构。天池火山全新世不同期次喷发物中长石形貌特征类型见表2。漫江林场长石表面形貌特征与天文峰剖面中灰色浮岩长石同属Ⅱ类(表2)，由此看来，它们可能是火山同一次喷发的产物。研究发现，天文峰剖面火山喷发时代越早(地层层位越向下)，长石颗粒表面风化溶蚀程度越强，结构越复杂;火山喷发时代越晚(地层层位越向上)，长石颗粒表面风化溶蚀程度越弱，结构越简单。即长石表面风化溶蚀程度与火山喷发的时代具有一定的相关性 (图4)。扫描电镜下图像显示，一个层位样品中所观察到的长石颗粒表面风化溶蚀具有几乎相同的显微形貌结构，也就是说在这层位中此种形貌结构类型属于主流类型(如Tw2样品中Ⅱ类结构)，但也有小部分长石颗粒表面的形貌结构不同于主流类型，而向左右类型偏移(如Tw2样品中Ⅰ、Ⅲ类结构)，这种次要类型一般不超过20%。统计结果显示，每一层位长石颗粒形貌结构类型的主次分布图形似轮轱状(表2)。这表明可能在风化淋滤过程中，由于长石颗粒表面形态的差异和不同的周围环境等因素的影响，致使长石颗粒表面风化溶蚀不能均匀进行。能谱分析显示：较新鲜的长石和风化的长石化学组成不同，较新鲜的长石表面显示强的Si，Al峰和弱的Na，K峰 (图5a)，而风化溶蚀的长石化学组成显示强的Si，Al峰和弱的Na，K，Fe峰(图5b)。研究表明，Fe元素可能与微生物作用有关(Duhig et al.，1992)。这种物质组成的差异，客观地反映了长石是天然风化、溶解、淋滤，最后又有物质沉淀的自然成因。

表2 天池火山喷发物长石显微形貌结构特征示意图Table 2 Sketch showing features ofmicrostructure of feldspar in eruptivematerial of the Tianchi volcano

图4 天文峰剖面长石风化溶蚀类型与层位的关系Fig.4 Relationship between weathering dissolution types and stratum levels on the Tianwen Peak cross section.

图5 新鲜长石、风化长石能谱图Fig.5 EDX diagram of fresh feldspar(a)and weathering feldspar(b).

3 讨论

矿物发生风化，是其在表生环境下处于不稳定状态的表现，因此上面述及的风化长石表面结构，是在长石晶体自身的性质和外部环境因素共同影响下形成的。

3.1 长石结晶学性质的影响

长石族矿物晶体结构相似，双晶发育且类型众多，解理面是晶体结构中的薄弱面，双晶结合面则是晶体内部质点排列方式发生转换、晶格能量较高之处。因此，在所研究的风化长石晶体上，解理缝和双晶缝部位优先发生溶蚀。长石晶体内部不同方向结构层之间的化学键键性、强度及层内质点类型一般不同，当溶蚀痕迹进一步扩大时，在不同方向的溶蚀速率一般不等，由此导致长石晶体上形成不同类型的溶蚀孔、缝，即长石的风化溶蚀受晶体各向异性控制(Huang et al.，1970;Wilson，1975; 马在平等，1997)。

3.2 溶液pH值对溶蚀的影响

长石是一种架状硅酸盐，它的结构为Al-O-Si格架化学价键，其晶体结构为Si(Al)-O四面体三维格架，格架某些孔隙和通道为碱金属和碱土金属阳离子所充填(如典型的K，Na，Ca)，充填格架的阳离子平衡了四面体格架中Al取代Si所产生的负电荷，而充填格架的阳离子键比Si-O-Si(Al)共价键要弱，因此充填格架阳离子与溶液中的氢进行阳离子交换之后，要比Al和Si更容易淋失。充填格架阳离子淋失之后，Si和Al的淋失主要取决于pH值。若阳离子淋失速率小于水解作用，则在长石表层就会形成相应的阳离子水和物。在这种情况下，长石表层的化学组成就控制了Al和Si的水解速率。在酸性溶液中Al的水解速率大于Si，因此Al先从风化层中淋失(Blum et al.，1991;Brantely et al.，1993)，理论和实验证明，长石在中 - 酸性溶液中(pH=5 ～6)，溶解度很低( ＜8 ×10-8M)(Xaio et al.，1994;Oelkers et al.，1994)，当溶液中Al的浓度低于溶解度，就加速了Al的溶解(Blake et al.，1999)。

3.3 风化程度的影响

长石表面风化溶蚀现象是地下水作用的结果，从而形成今日所见的形貌结构。由此可推测长石表面显微形貌所反映的是自长石生成直到如今所经历的时间。事实上，长石风化溶蚀依赖温度、压力和溶液的pH值等多种因素，但对于天池火山这一局部区域可以认为其环境条件是基本相同的，长石的溶解度和溶解速率也几乎是相同的。假如这个解释是正确的，那么，在采样过程中尽量排除那些非时间因素的影响，这样就可以认为时间是长石风化溶蚀的主要因素。天文峰剖面不同层位中长石的显微形貌就反映了自火山喷发至今所经历的时间。如果把长石形貌，按溶蚀结构由不发育到发育、由简单到复杂排列起来，那么这些不同形貌结构的次序，应该能划分出从新到老的火山喷发序列。通过对天文峰剖面不同层位长石风化溶蚀形貌的扫描电镜观察分析认为：长石风化溶蚀的演变应该是，风化初期的溶蚀作用主要在双晶缝、解理缝等结构薄弱部位形成规模较小的溶孔和溶缝，随着风化作用程度的增加，已经形成的溶蚀痕迹进一步扩大、合并、相互贯通而形成矩形溶孔或棱柱状溶孔，同时又有新的、规模较小的溶蚀痕迹形成(Gout et al.，1997;Emmanuelle et al.，1998;Hamilton et al.，2000)。

4 结论

(1)通过对天文峰剖面长石风化溶蚀形貌的扫描电镜观察分析认为：在风化作用过程中，长石晶体表面发生了显著的不均衡溶蚀，并形成多种具有特征性的溶蚀痕迹。长石晶体上风化溶蚀痕迹的扩大受长石晶体各向异性的控制。

(2)天文峰剖面火山喷发时代越早(地层层位越向下)，长石颗粒表面风化溶蚀程度越强，结构越复杂;火山喷发时代越晚(地层层位越向上)，长石颗粒表面风化溶蚀程度越弱，结构越简单。即长石表面风化溶蚀程度与火山喷发的时代具有一定的相关性。根据长石颗粒表面的显微形貌结构，认为漫江林场浮岩与天文峰剖面中灰色浮岩应是火山同一次喷发的产物。因此根据长石溶蚀度的大小可以判定天池火山喷发的精细序列及不同剖面喷发物时代的归属，也就是长石表面风化溶蚀度可以作为判定火山喷发精细序列的一个代用指标。这种方法虽然是定性的，但在缺少绝对年龄的情况下，估计火山喷发的年代仍具有一定的意义，由于该方法是以火山喷发物为直接测定对象，采样、制样和观察测定过程都较简单而直观，有利于火山地质工作者应用。

(3)矿物发生风化，是其在表生环境下处于不稳定状态的表现。因此，上面述及的风化长石表面结构，是在长石晶体自身的性质和外部环境因素共同影响下形成的。而新的表面形成的环境是非常重要的，要获得历史上长石风化时的环境资料也是非常困难的。而长石的风化溶蚀特征和化学组成能提供环境变化的重要信息。

致谢 工作中得到尹金辉、高祥林、潘波等同志的热心帮助和支持，在此表示衷心感谢。

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FEATURESOF FELDSPAR WEATHERING DISSOLUTION IN HOLOCENE VOLCANIC ERUPTIVE MATERIAL ON THE TIANWEN PEAK CROSS SECTION，TIANCHI，CHANGBAISHAN AND THEIR IMPLICATIONS

ZHANG Bing-liang1)XU Jian-dong1)SHILan-bin1)PAN Xiao-dong2)
1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

2)Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130022，China

We use SEM and EDX to study the micro structures and chemical compositions of feldspar surface weathering dissolution in Holocene volcanic eruptive material at the Tianwen peak，Tianchi，Changbaishan.The result shows that there are varied micro structures formed by weathering dissolution on feldspar surface in the pumicewhich is black on the top and turns dark-grey downward on the cross section at the Tianwen peak.Their structural features are described as follows.At the early weathering stages，small-sized solution openings and fissureswere produced by dissolution atweak structures such as twin crystal and joint fissures.With increase ofweathering dissolution，these dissolution products on the surface of feldspar became larger and emerged，controlled by the anisotropy of the feldspar crystals.For the earlier eruptivematerial(at lower level of strata)，the dissolution degree is stronger and the structure is more complex.On the contrary，for the later eruptive material(upper level of strata)，the dissolution is weaker and structure is simpler.It implies that the degree of weathering dissolution on the feldspar surface is correlated with ages of volcanic eruptions.Observations on the microstructure of feldspar surface suggest that the pumice at the Manjiang tree farm and the grey pumice at the Tianwen peak cross section are the product of the same one volcanic eruption.And the weathering dissolution degree of feldspar surface can be used as an indicator to determine the sequence of volcanic eruptions.Energy spectral analysis indicates that the fresh feldspar and that suffered from weathering dissolution have different chemical compositions.The microstructure and chemical composition of the feldspar that had experienced weathering dissolution resulted from a natural process of weathering，solution，leaching and precipitation.The element Fe in it is probably related with function of microorganism.The detailed analysis of weathering dissolution of feldspar surface can help study environmental change after volcanic eruptions and extimate their time sequence.

Changbaishan volcano，feldspar，SEM，weathering dissolution，microtexture

P317.3

A

0253-4967(2011)01-0015-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.002

2010-05-05收稿，2011-01-13改回。

国家自然科学基金(40772128)和中国地震局行业专项(20070827)共同资助。

张秉良，男，1948年生，1976年毕业于中国科技大学，研究员，长期从事矿物岩石、显微结构研究，现主要致力于火山喷发物的研究，电话：010-62009087，E-mal：zhangbl 15@yahoo.com.cn。