天池火山物理过程的研究进展

刘芳娜

摘要：从时空布局和岩浆物理过程两个方面综合分析了当今关于长白山天池火山物理过程的最新研究成果和存在的问题，着重研究了非平衡理论对研究火山喷发过程的重要性。

关键词：天池火山;粗面岩;非平衡

中图分类号：P317

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0058-02

1 引言

长白山天池火山是中国境内最大规模的火山，其喷发具有多期次、大规模和长历史的特点[7]。前人已对长白山天池的火山活动开展了多方面的研究工作，取得了一定的研究进展，尽管对千年大喷发的具体喷发年代存在争议，但长白山地区天池火山是中国最具有喷发潜在危险的现代活火山已达成一致。目前，长白山火山下方残留着高温岩浆房，且近几年在长白山天池地区存在水热活动及土壤微渗漏等喷发前期现象。一旦长白山天池火山喷发，将会给其周边地区的人民带来生命危险，带来不可预估的灾难，因此对长白山天池火山喷发机制和岩浆运移和演化过程的研究具有非常重大的意义。

2 长白山天池火山的时空分布

目前，国内外的学界对岩浆混合的研究大多集中在野外地质和岩石地球化学上，对岩石地球物理的研究相对较少。天池火山的喷发活动主要经历了三个阶段：早期造盾阶段、中期造锥阶段和晚期造伊格尼姆岩等3个阶段[5]。天池火山粗面岩锥形成于早更新世至晚更新世，锥体主要由多阶段厚层状粗面岩和碱流岩及其火山碎屑岩组成，晚期出现比较多的是碱流质岩浆喷发，爆发相比例也有所增长[7]。金伯禄等则详细地描述了整个火山锥的岩石，他们根据喷发时代和喷发间歇形成的粘土质风化层。魏海泉把天池火山造锥喷发过程划分为4个阶段，将岩浆演化划分为早晚两个旋回，分别进行了演化特点和规律的阐述，并明确了天池火山地层结构。并且认为喷发物岩的浆成分逐渐富集酸性端元，爆破性喷发强度也逐渐增大。在天池火山第一和第三造锥阶段，至少有过三次的岩浆混合事件，第一造锥阶段以粗面质岩浆与粗面质岩浆的混合为主，而第三造锥阶段除了有粗面质岩浆与粗面质岩浆的混合作用之外，还有玄武质岩浆与粗面质岩浆的混合作用。

3 长白山天池火山的岩浆系统

岩浆系统的研究是火山喷发机制的一个关键方面，火山岩浆系统的研究可以理解岩浆上侵、存储和喷发的过程，是降低火山灾害和预测未来喷发研究的基础。因为只有弄清地下岩浆就位深度，存储区物性成分等参数后才能建立和预测火山喷发模型。而目前学界对天池火山岩浆系统的认识主要依赖于地球化学的测量结果，地球物理方法大多还停留在平衡理论，不能明确分析出岩浆体的成分以及岩浆的演化过程[12]。

国际上，Caroline Martel对法国中央高原的粗面岩相和岩浆储存条件的关系做了深入研究，通过野外获取的岩石学数据与实验数据（温度和氧逸度、压力、挥发分）进行对比，得出了存储在CDP火山下的粗面质岩浆房的预爆发条件以及不同的碱性岩浆的相关系大约在200～400 MPa。魏海泉等深入分析火山深部岩浆柱构造、造盾玄武岩源区的熔融与停止过程等，探讨了酸性地壳岩浆房尺度、形状与岩浆超压控制的喷发规模、岩浆房顶部岩墙传导与喷发周期及岩浆柱内天池火山作用等问题。樊祺诚等讨论了天池火山粗面玄武岩的喷发历史和岩浆演化过程，在岩浆演化过程中岩浆的结晶分异作用是形成天池火山具有双峰式火山岩分布特征的原因，而演化过程中的岩浆混合作用（地幔中的玄武质岩浆注入了地壳岩浆房，导致地壳岩浆分层结构受到扰动）则触发了千年大喷发。王璞珺等针对目前对于火山地层学和火山架构的研究较少的现象，系统而详细地分析了长白山火山喷出物特点，构建了长白山火山地层单元体系和火山架构类型，并讨论了长白山火山地层和架构与火山灾害的关系，为长白山火山研究拓宽了新的研究方向。李霓等针对火山喷发物中的矿物成分、结构和包裹体等深入研究，讨论了长白山天池岩浆演化。郭文峰等讨论了长白山天池火山粗面岩的成因以及岩浆房的系统演化，认为天池火山粗面岩不可能由古老的华北克拉通下地壳部分熔融形成，也不符合造盾玄武岩部分熔融的模式。粗面岩是由进化玄武质岩浆（玄武粗安岩）经历了分离结晶作用所形成，粗面岩形成过程中岩浆遭受了地壳混染，并且具有高n（87Sr）/n（86Sr）和低n（87Sr）/n（86Sr）两种截然不同的混染趋势。孙春强等讨论了天池火山造锥粗面岩新的K- Ar年龄，认为天池火山东北坡造锥粗面岩层序明显新于北坡造锥层序。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的过程。岩浆中矿物的结晶过程实际上是硅酸盐系统相反应的过程。因此，实验岩石学的研究对理解岩浆矿物的结晶作用有重要意义。

经典的相图研究曾一度成为岩石学领域研究的主要工具，但当体系中相成分超过三相，或者体系的热动力变量（温度、压力、水含量等）较多时，用相图研究非常不便。而用相律反应的动力学方程便可用来描述岩浆中的硅酸盐系统相反应过程。而知道了某地区火山岩结晶演化趋势，也可以反推其岩浆演化过程的热动力条件[12]。距今约lMa，伴随着天池火山粗面岩的造锥过程，粗面玄武岩浆持续不断地从地幔岩浆房直接喷发出来，主要以小规模、中心式喷发为主。在松花江上游的头道白河和二道白河河谷粗面玄武岩漫延10km余，且喷发越晚的粗面岩岩石成分硅、碱含量更高，不断向碱流岩演化。而郭文峰等通过热力学模拟实验得出天池火山玄武岩不能在岩石圈地幔或更深处分离结晶斜长石。造盾低Mg0玄武岩的主体演化是在地壳中进行，而在地幔中只经历少量橄榄石的分离结晶，而粗面质岩浆是由碱性玄武岩在15～18 km结晶分异形成。天池火山岩浆系统可能要比先前认为的壳幔双层岩浆房模式复杂。玄武岩可以在地壳中甚至是中上地壳驻留演化，且天池地壳岩浆系统主体应该为玄武质岩浆，酸性巖浆只占很小的比例[12-15]。

4 结语

纵观宇宙中各种各样的系统，都存在着平衡和非平衡状态以及差异协同过程，大都经历着从平衡到不平衡，再到新的平衡的周期运动和发展过程。在地质上非平衡的现象很多，但关于非平衡方面的研究相对较少，特别是从地球物理的角度研究。因此，本研究从非平衡热力学理论和流体动力学理论来揭示岩浆混合作用，从非平衡岩相结构来反演岩浆混合作用，并将岩浆混合作用与研究区域空间展布相结合，揭示岩浆混合对岩浆成分的改变以及火山喷发机制有非常重要的意义。

参考文献：

[1]樊祺诚，隋建立，王团华，等.长白山天池火山粗面玄武岩的喷发历史与演化[J].岩石学报，2006（6）：1449～1457.

[2]樊祺诚，隋建立，王团华，等.长白山火山活动历史、岩浆演化与喷发机制探讨[J].高校地质学报，2007（2）：175～190.

[3]魏海泉.长白山火山岩浆柱岩浆上升作用过程[J].地学前缘，2010（1）：11～23.

[4]刘若新，樊祺诚，郑祥身，等，长白山天池火山的岩浆演化[J].中国科学D辑：地球科学，1998（3）：226～231.

[5]刘永顺，李家振，孙善平，等.黑龙江省五大连池新期火山喷发的火山弹动力学初探[J].地质论评，1999（Sl）：384～392，1192.

[6]魏海泉，刘若新，樊祺诚，等.长白山天池火山——多成因中央式火山[J].地质论评，19 99（S1）：257～262.

[7]樊祺诚，刘若新，魏海泉，等.长白山天池火山全新世喷发与岩石地球化学特征[J].地质论评，1999（S1）：263～271.

[8]刘永顺，聂保锋，彭年.中国物理火山学研究进展评述[J].矿物岩石地球化学通报，2011（4）：375～381.

[9]聂保锋，刘永顺，彭年，长白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究[J].首都师范大学学报（自然科学版），2009 （1）：70～75.

[10]郭文峰，刘嘉麒，徐文刚，等.长白山天池火山巖浆系统再认识：岩石热力学模拟[J].科学通报，2015（35）：3489～3500.

[ll]Baxter S，Feely M.Magma mixing and mingling textures in granitoids; examples from the Galway Granite， Connemara， Ireland[J]. Mineralogy and Petrology ，2002 ，76 （1-2）：63～74.

[12]Cherniak D J.Ba diffusion in feldspar[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2002， 66（9）：1641～1650.

[13]许林书.长白山全域旅游开发的地学科普文化研究：长白山旅游文化系列研究[J].绿色科技，2017 （13）：219～223.

[14]牛杰明.利用GPS（GNSS）和地震仪观测资料研究地震和火山动态形变特征[D].武汉：武汉大学，2016.

[15]姜枚，谭捍东，彭淼，等.腾冲火山构造区马站岩浆囊地球物理特征的再探讨[J].中国地质，2016，43（5）：1688～1696.