西昆仑阿什库勒火山群地质特征和活动分期*

2014-03-15许建东赵波HemmingSINDNEY陈正全张柳毅

岩石学报 2014年12期

许建东赵波 Hemming SINDNEY 陈正全张柳毅

XU JianDong1，ZHAO Bo1，Hemming SINDNEY2，CHEN ZhengQuan1 and ZHANG LiuYi1

1. 活动构造与火山中国地震局重点实验室，中国地震局地质研究所，北京 100029

2. Lamont-Doherty Earth Observatory，Columbia University，Palisades，NY 10964，USA

1. Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

2. Lamont-Doherty Earth Observatory，Columbia University，Palisades，NY 10964，USA

2014-03-21 收稿，2014-07-10 改回.

图1 阿什库勒火山群构造位置与空间分布示意图(a)-阿什库勒盆地构造位置图;(b)-阿什库勒火山群分布图Fig.1 Tectonic location geographical distribution of Ashikule volcano group(a)-tectonic location of Ashikule volcano group;(b)-geographical distribution of Ashikule volcano group

青藏高原北部新生代火山作用过程，作为板块俯冲、碰撞及高原形成、演化过程中深部地质作用事件的浅部响应，是探索新生代以来高原岩石圈物质组成、壳幔结构及其相互作用方式以及高原隆升机制的“重要窗口”，长期以来，一直是国内外学者们的关注热点(Arnaud et al.，1992;Turner et al.，1993，1996;Cooper et al.，2002;Williams et al.，2004;Guo et al.，2006;Zhang et al.，2008;潘家伟，2011;潘家伟等，2013;Yu et al.，2014)。阿什库勒盆地位于新疆于田县城南120km 的西北昆仑山中，海拔在4700m 以上，整个盆地分布面积约700km2。该盆地西北高东南低，主要有洪积地貌、湖积地貌、风积地貌以及火山地貌。在构造上，阿什库勒盆地位于阿尔金断裂带、东昆仑断裂带西端与康西瓦断裂带交汇处的地堑地区，是一个剪切拉张性质的构造盆地，区域构造位置特殊，新构造活动强烈。由十余座主火山和数十个子火山组成的阿什库勒火山群分布在盆地的南部，这些火山几乎均为中心式喷发，形成圆锥状或截顶圆锥状火山锥，熔岩面积约200km2，绝大多数火山是第四纪形成的，它们是世界上海拔最高的火山区之一，是青藏高原内也是中国大陆可能有过最新喷发活动的火山(图1)。由于该地区人迹罕至，工作环境十分恶劣，到目前为止，总体研究程度相对较低。

邓万明(1978，1989a，b，1998，2003a，b)曾对阿什库勒火山岩区出露的大量的橄榄安粗岩、安粗岩和流纹英安岩的岩石学基本特征的描述，和用热释光测年方法报道的最新喷发年龄为74 ±4ka。最具代表性的研究工作是由刘嘉麒和买买提·依明(1990)完成，他们通过野外调查发现并命名了盆地内部的大多数火山锥体和火山机构，给出了火山的分布和产状，他们指出西昆仑山的火山活动几乎都发生在第四纪，是地球上分布最高的火山，也是中国大陆可能有过最新喷发活动的火山(最新的喷发发生在1951 年5 月27 日)，尽管这一喷发事件过去一直存在争议(邓万明，1989b;李栓科，1991;刘嘉麒，1999;刘若新，2000)。毕华等(1999)研究认为中更新世是西昆仑地区构造-岩浆活动高峰期，主要发生在东西昆仑造山带与阿尔金造山带交汇处。

近年来，随着时代的发展和火山学研究技术的不断进步，系统开展阿什库勒火山群地质调查和年代学研究已经逐渐成熟。本文以中国地震局地质研究所2011 年度阿什库勒火山群野外地质考察成果为基础，结合研究区内采集的火山岩样品40Ar/39Ar 的系统测年结果，对阿什库勒火山群火山地质和活动历史进行了研究，对前人(刘嘉麒和买买提·依明，1990)有关阿什库勒火山群的活动期次划分方案进行了补充，以弥补这一地区火山地质研究基础工作的不足。

1 阿什库勒火山群地质地貌特征

阿什库勒火山群火山主要有大黑山、阿什山、乌鲁克山、椅子山、牦牛山、迷宫山、月牙山、马蹄山，东山、西山，隐山，高台山峡谷火山，牦牛山北峡谷的熔岩溢出口以及数以十记的小火山渣锥。本区火山机构类型总体为中心式喷发和裂隙-中心式喷发。单一火山基本为中心式喷发，中心式喷发可分为两种:一种喷发具有斯通博利式和夏威夷式喷发的特点，主要有大黑山、阿什山、乌鲁克山、椅子山、牦牛山、迷宫山、月牙山和马蹄山等，另一种喷发为夏威夷式喷发，与夏威夷火山所不同的是并未形成熔岩盾，形成坑状的熔岩溢出口，有的边缘发育有火口相的溅落堆积物，其中牦牛山峡谷北侧台地上的熔岩溢出口最为典型，西山和东山熔岩台地未见火山锥体，亦有可能为溢流式喷发。裂隙-中心式在本区多见，主要为链珠状的小火山，喷发方式为斯通博利式，分布在乌鲁克湖北侧湖滨、乌鲁克山向北流动的熔岩流上，以及牦牛山北侧熔岩流上。

下面按照时代顺序由老到新对阿什库勒火山群部分火山机构进行描述和分析。

1.1 早更新世西山熔岩台地

西山位于盆地的西北侧，地理坐标35°50′43″N，81°26′29″E，距离最近的大黑山火山距离为18km，海拔在4969 ～4996m 之间。

图2 阿什库勒火山群西山熔岩台地(a)-台地地貌(镜头向东);(b)-台地表面特征Fig.2 Xishan lava terrace(a)-terrace geomorphology;(b)-surface of the terrace

图3 阿什库勒火山群马蹄山火山(a)-马蹄山火山照片(镜头向北);(b)-马蹄山火山火口平面图;(c)-马蹄山火山地层剖面Fig.3 Matishan volcano of Ashikule clusters(a)-crater geomorphology;(b)-geological sketch map of the crater;(c)-cross section at the crater rim

野外调查中，未发现火山锥体和熔岩溢出口，地貌上主要表现为熔岩台地，北高南低，地面平坦，分布面积约0.3km2，南侧厚度约20m。表面风化严重，发育黑色熔岩碎屑颗粒，有气孔，粒径一般在1 ～5cm，个别达20cm。表壳土质松软，车轴印明显。此外在野外调查中发现少量红褐色溅落堆积物，分布于黑色熔岩碎屑之间(图2)，推测喷发时有溅落堆积物形成，后期风化剥蚀作用，只剩下少量残余。西山熔岩台地地表地貌特点表明西山喷发主要以溢流式为主。

前人K-Ar 测年结果为2.8Ma(刘嘉麒和买买提·依明，1990)，属于新近纪晚期，本次40Ar/39Ar 测年结果为2.34 ±0.06Ma，属于第四纪早期，虽然两次测年结果较为接近，但是本次工作中将西山火山活动时间调整为第四纪早更新世早期。

1.2 早更新世马蹄山火山

马蹄山火山位于盆地东北侧，地理坐标35°47′24″N，81°45′46″E，火山机构大部分被洪积扇掩埋，出露的主要为锥体上部，火口沿东西长360m，南北长350m。在锥体东北侧火口沿上，发育一个寄生火口。火山地貌保存差，火口平缓，风积物发育。

马蹄山南侧缺口处有一天然形成的火山剖面(图3)，整个剖面大致分为3 层:①黑色、红褐色岩浆团块，溅落成因，约3m 厚;②黑色、红褐色火山渣层，粒径在5 ～8cm 之间，空降成因，1 ～2m 厚;③黑色、红褐色岩浆团块，溅落成因，出露厚度约2m。马蹄山火山喷发产物经历了溅落堆积物-空降堆积物-溅落堆积物的变化特征，反映了爆发强度由弱变强再变弱的一个过程。

图4 阿什库勒火山群大黑山火山地貌(a)-大黑山火山锥体;(b)-锥体西侧溅落堆积;(c)-锥体南侧火口垣V 形缺口;(d)-大黑山火口平面地质简图Fig.4 Daheishan volcano(a)-crater overview;(b)-west of the crater;(c)-“V”gap in the south of the crater;(d)-geological sketch map of the crater

1.3 中更新世大黑山火山

大黑山火山位于盆地的中北部(图4a)，地理坐标为81°37′6.3″E，35°46′24.1″N。大黑山是一座大型复式火山(刘嘉麒和买买提·依明，1990;邓万明，1998)。大黑山早期活动以爆破式喷发为主，紧接着为溢流式喷发，破坏了锥体，东西北三个方向均有熔岩流溢出口，熔岩流北至山根，西至阿什库勒湖边，东与椅子山火山所在洪积扇相接，南与乌鲁克火山熔岩流接壤。大黑山火山中期活动主要以造溅落锥为主(图4b)，紧接着是熔岩流溢出，贯穿了大黑山火山整个南侧锥体(图4c)，但火山活动规模要小于早期喷发阶段。大黑山火山晚期活动主要以造寄生火山锥为主，寄生火山锥的形成破坏了溅落锥的北侧边缘(图4d)，也标志着大黑山火山活动进入尾声。

在地貌上大黑山火山口内部地势平缓，底部覆盖洪积物，反映了大黑山火山长时间没有大规模的活动并经历了长时间的剥蚀作用。

野外地质、地貌特征调查结果显示，大黑山火山锥体由渣锥、溅落锥和寄生火山锥组成，火山喷发具有多期性、活动规模由大到小和爆发强度由强到弱的特征。前人K-Ar 测年所得两个测年结果也与多期性这个特点相呼应(刘嘉麒和买买提·依明，1990)。

1.4 中更新世乌鲁克火山

乌鲁克火山位于阿什库勒盆地的中南部乌鲁克湖的东北侧。乌鲁克火山锥体形态基本保存完好(图5)，锥体外侧发育羊尾巴冲沟，火口南高北低，在北侧有一缺口。通过遥感图像获得乌鲁克火山底部基座南北长约550m，东西长约630m。火口近似圆形，直径约220m，火口北高南低，在南侧有一缺口，与最高处的高差约30m。

从锥体地貌上看，乌鲁克火山至少存在三个喷发阶段，早期造锥阶段，基本奠定了乌鲁克火山锥体，锥体表面为黑色和红褐色熔岩饼、岩屑的混合堆积，在地貌上主要表现为坡度相对平缓，冲沟发育;中期的溅落堆积，形成了火口附近红褐色溅落堆积物，火口内壁坡面平滑，与阿什火山内壁陡峭明显不同，反映了经过较长时间风化改造;晚期熔岩流溢出阶段，火口南侧缺口壁上有黑色致密熔岩，部分表面玻璃质化，流动构造特征明显。

图5 乌鲁克火山照片以及地质简图(a)-乌鲁克火山照片;(b)-乌鲁克火山火口垣溅落堆积物;(c)-锥体平面地质图;(d)-火山剖面Fig.5 Wuluke volcano(a)-crater overview;(b)-spatter deposits in the crater rim;(c)-geological sketch map of the crater;(d)-cross section

1.5 晚更新世-全新世阿什火山

阿什火山位于阿什库勒南部，前人成果认为阿什火山就是1951 年报道喷发过的火山(赵铭钰，1976;刘嘉麒和买买提·依明，1990)。阿什火山位于阿什库勒火山群的西北部，阿什库勒湖的东南侧，地理坐标为81°34′45.7″E，35°41′54.2″N，火口海拔高度达4896m。阿什火山锥体保存完好，平面上呈近圆形，锥体底部直径东西长约555m，南北长约593m。锥体西北高东南低，锥体火口垣内部坡度为17° ～34°，锥体坡度为14° ～24°，火口深度在24 ～54m 之间。火山锥体保存基本完好，外表面无冲沟发育，风化程度较低。

阿什火山机构由火山锥和熔岩流组成。该火山锥由早期的渣锥和晚期的溅落锥组成，底部为火山渣堆积，上部由熔岩饼组成(图6)。在锥体北侧火口缘发现多个喷气孔，为末期喷气孔形成阶段的产物(许建东等，2011)。锥体南侧有一个火山缺口，推测为熔岩流溢出口。阿什火山熔岩流围绕锥体分布，向北到达阿什库勒湖，向西向南沿周围的山体分布，向东与乌鲁克火山熔岩流相连，面积约33km2。

从锥体地貌上看，阿什火山至少存在三个喷发阶段，早期造锥阶段，基本奠定了阿什火山锥体，表面为黑色和红褐色火山渣、岩屑的混合堆积，在地貌上主要表现为坡度相对平缓;晚期的溅落堆积，形成了火口附近的阶梯状红褐色溅落堆积物，内壁坡度陡峭;末期喷气孔形成阶段。

1.6 其它火山机构

阿什库勒火山群中的椅子山、迷宫山、月牙山以及牦牛山等火山具有相似性。锥体为典型的斯通博利式喷发形成，主要由黑色火山弹和红褐色熔岩饼等溅落堆积物组成，很少见到火山渣;锥体形态均遭到晚期熔岩流破坏，形成缺口;底部直径在200 ～500m 之间。这些火山与大黑山和阿什等火山相比，喷发规模以及影响范围要小的多，但是本区常见的火山活动方式(图7)。

2 研究区岩石样品40Ar/39Ar 测年和火山活动期次分析

2.1 火山岩样品40Ar/39Ar 测年

图6 阿什火山锥体地质图及锥体剖面(a)-阿什火山照片;(b)-阿什火山口照片;(c)-阿什火山锥体平面地质图;(d)-阿什火山剖面Fig.6 Ashi volcano(a)-crater overview;(b)-lava outlet at south of the crater;(c)-geological sketch map of the crater;(d)-cross sections

在利用40Ar/39Ar技术进行年轻火山岩测年方面，目前在国际上取得了突飞猛进的进展。Renne et al. (1997)利用40Ar/39Ar测年技术成功地测定了意大利威苏威火山公元79年大喷发的年龄(AD 1925 ±94)，与历史记载基本一致，标志着40Ar/39Ar 测年法在火山学研究中的里程碑，使得火山岩可测的年龄上限扩展到了晚更新世、甚至人类历史时期。随后，国际上有大量报道关于利用40Ar/39Ar 技术进行千年尺度火山岩测年的成功案例(Lanphere et al.，2007;Gutmann et al.，2000;李大明等，2000)。特别值得一提的是，Fedele et al. (2011)利用40Ar/39Ar 测年技术，对意大利南部著名的Campi Flegrei 火山全新世活动进行了成功的测年和分期，再次验证了利用40Ar/39Ar 技术在千年尺度上对火山岩进行精确测年的可能性。

阿什库勒火山区主要由粗安岩和钾玄岩系列火山岩组成，岩性相对单一，具有特别富集的钾质异常，K2O 含量一般为4.0% ～4.5%，甚至更高。阿什库勒火山岩中常常含有长石和辉石斑晶(申欢欢等，2014)，非常适合年轻火山岩样品40Ar/39Ar 测年。本次工作在不同火山锥体和不同熔岩流单元采集火山岩标本，在美国哥伦比亚大学的拉蒙特-多尔蒂地球观测站氩同位素地质年代实验室(AGES)，以同轴CO2激光作为加热源，在VG5400 质谱仪上完成了测试，采用伯克利地质年代中心(BGC)编制的自动数据采集软件(MassSpec)，得到了氩同位素比率。最终得到了一系列反映阿什库勒火山活动历史的年龄数据(表1)。

2.2 阿什库勒火山区火山活动期次划分

前人研究成果表明，阿什库勒火山群火山活动具多期性特点，从上新世到全新世均有火山活动(刘嘉麒和买买提·依明，1990)。刘嘉麒根据K-Ar 测年数据、火山地貌以及记载数据，将阿什库勒划分为上新世末西山幕、早更新世马蹄山幕、早期黑龙山幕、中期月牙山幕、晚期乌鲁克幕和全新世阿什火山幕六期。

本次研究首先从火山地质入手，着重调查不同火山熔岩流单元相互叠置关系、火山喷发物与沉积地层的叠置关系，以此判断火山或者熔岩流形成的相对先后时间顺序。此外，还系统研究了不同时代火山结构组成、形貌特征以及火山产物的风化程度等，发现不同时期火山活动形成的火山地形地貌具有以下特点:晚更新世-全新世火山地貌保存完好，火口内部陡峭，锥体基本无冲沟，喷发产物无论是溅落堆积物还是熔岩流几乎均未受风化剥蚀作用影响;中更新世火山地貌保存较好，火口内部平缓，堆积很厚的土层，内侧坡度很小，锥体外侧冲沟发育，喷发产物风化作用较强，熔岩流等产物部分被冲积扇所覆盖;早更新世火山地貌保存较差，破坏严重，喷发产物被风积物覆盖，熔岩碎块发育，部分火山绝大部分被冲积扇覆盖，仅残余锥体火口部分出露。

图7 阿什库勒火山群椅子山、迷宫山、牦牛山和月牙山火山平面地质简图Fig.7 Overview of craters and geological sketch maps of Yizishan，Migongshan，Maoniushan and Yueyashan volcanoes in Ashikule volcano group

在此基础上，结合前人工作成果(刘嘉麒和买买提·依明，1990)，参考本项工作中完成的系列火山岩样品40Ar/39Ar测年结果(表1)，初步将研究区内第四纪火山活动划分为早更新世早期、早更新世中期、中更新世早期、中更新世晚期、晚更新世期和全新世期六期(图8、表2)。

表1 部分阿什库勒火山岩40Ar/39Ar 样品描述和年龄结果表Table 1 Description and 40Ar/39Ar ages of samples from Ashikule volcano group

表2 阿什库勒火山群火山喷发期次表Table 2 Eruption history of volcanoes in Ashikule basin

图8 阿什库勒火山群火山地质简图Fig.8 Geological sketch map of Ashikule volcano group

3 主要认识与结论

阿什库勒火山群火山机构类型总体为中心式喷发和裂隙-中心式喷发，单一火山基本为中心式喷发。中心式喷发分为两种，一种喷发具有斯通博利式和夏威夷式喷发的特点，主要有大黑山、阿什山、乌鲁克山、椅子山、牦牛山、迷宫山、月牙山和马蹄山等;另一种喷发为夏威夷式喷发，但与夏威夷火山所不同的是并未形成熔岩盾，而是形成坑状的熔岩溢出口，以牦牛山峡谷北侧台地上的熔岩溢出口、西山和东山熔岩台为典型代表。

阿什库勒火山区玄武岩与沉积地层的叠置关系、火山结构组成、形貌特征以及火山产物的风化程度等野外地质特征，以及系列火山岩样品高精度40Ar/39Ar 法的年龄测定，表明阿什库勒盆地的火山活动在整个第四纪时期都比较活跃，其主要活动时期可进一步划分为早更新世早期、早更新世中期、中更新世早期、中更新世晚期、晚更新世期和全新世期六期。致谢野外科考得到了新疆地震局的后勤保障;项目执行过程中得到了中国科学院地质与地球物理研究所刘嘉麒院士、中国地震局地质研究所樊祺诚研究员的学术指导;二位匿名审稿人对论文初稿提出了宝贵的意见和建议;在此一并表示衷心的感谢。

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