吉林长白山天池第四纪火山旋回性喷发与冰川作用的耦合关系

王照波 王江月 李宝杰

摘要： 长白山天池火山喷发活动贯穿整个第四纪，旋回性明显，发育良好的冰川遗迹，为火山喷发与冰川作用的耦合性研究提供了有利条件。文章通过对长白山天池第四纪火山喷发旋回及火山岩分布特征研究，收集火山喷发年代学与冰期-间冰期旋回年代学数据，并利用卫片解译了火山喷发与冰蚀U谷的关系。在年代学数据的约束下，根据天池火山锥体周边广泛发育的U谷遗迹，将研究区冰川作用分为3个冰期：锦江冰期、漫江冰期和二道白河冰期，分别对应中国东部鄱阳冰期、大姑冰期和庐山冰期。长白山天池火山造锥阶段喷发形成的白头山组3个阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），与上述3个冰期具有良好的耦合关系。天池内部冰斗为白头山冰期（即中国东部东山冰期，MIS4）产物，经黑风口冰期与气象站冰期（即中国东部蒙山冰期，MIS2）、全新世冰川作用及火山作用的双重改造，其基本特征保存至今。长白山天池冰盖消融导致的释压反弹，可能诱发了天池火山呈旋回性喷发。

关键词： 火山喷发;冰川作用;U谷;长白山天池;释压反弹

中图分类号：P3436

文献标识码：A

文章编号：20961871（2020）0210808

迄今为止，吉林长白山一带第四纪冰川遗迹的期次划分仍存在诸多争议。一种以孙建中[1]为代表，认为该区保存全系列第四纪古冰川作用的遗迹，主要依据分布在望天鹅火山周边的冰碛物，将第四纪冰川作用由早到晚划分为四等房冰期、腰岭冰期、布老克冰期、二道岗冰期和白头山冰期，分别对应中国东部龙川冰期、鄱阳冰期、大姑冰期、庐山冰期和大理冰期。孙广友等[2]将孙建中[1]建立的冰期重新划分为望天鹅冰期（即四等房冰期）、锦江冰期、鸭绿江冰期（即二道岗冰期）和白头山冰期，但未进行冰碛物年龄测试。另一种以施雅风等[3]为代表，认为该区仅发育末次冰期及之后的冰川作用。末次冰期长白山的雪线为2 100～2 200 m，且仅限于白头山天池附近。裘善文[4]认为天池火山一带冰川发生于末次冰期晚期，当时雪线为2 200 m，部分下延至1 600～1 800 m的槽谷属于冰缘地貌的“雪蚀槽谷”，认为二道白河形似U谷，不一定是冰川作用形成的。张威等[56]和李川川[7]认为长白山发育末次盛冰期（LGM）与晚冰期，时间分别为200±21 ka和113±12 ka。综合多种雪线确定方法，认为天池火山末次盛冰期的雪线为2 300±20 m，晚冰期的雪线约2 465 m。将海拔2 000～2 100 m的区域命名为黑风口冰进（冰期），将海拔2 400～2 600 m的区域命名为气象站冰进（冰期）。

除了上述获得的具有明确年龄值的黑风口冰期与气象站冰期外，目前尚无研究者对天池地区更古老的冰川作用及存在的时代进行研究，原因是长白山天池火山的后期喷发作用破坏或覆盖了前期冰川作用遗迹。火山喷发虽然可以破坏前期形成的冰川遗迹，但随着火山岩测年手段的多样化及测年精度的不断提高，以及年龄跨度远大于冰碛物测年方法（如14C、光释光、宇生核素等）[8]的应用，为约束火山喷发期次、限定冰川期次提供了可能性。冰蚀作用形成的地貌遗迹（如U谷）很难彻底被破坏，尤其当火山喷发强度递减的情况下，U谷更可能得到有效遗存。

由于长白山天池火山在第四纪存在多期次旋回喷发，其造锥作用过程中火山喷发强度递减导致锥体覆盖面积也逐次递减。此外，近年获得大量火山岩年龄数据，为利用卫星图片分辨冰蚀U谷与火山熔岩提供了条件。结合笔者近年对冰川期次、冰川遗迹和冰蚀地貌研究成果[917]，建立长白山天池火山旋回性喷发与冰川作用间的相互关系，进一步分析火山地貌的演化过程。

1火山巖时空分布特征

长白山天池火山位于吉林省东部与朝鲜接壤地带（图1（a）），是我国最大的休眠火山，我国境内最高峰为白云峰，海拔2 691 m。天池火山喷发活动贯穿第四纪，火山喷发旋回性明显，大量年代学数据为天池火山岩喷发旋回的建立奠定了基础。

11火山岩分布

长白山天池火山岩具有盾锥特征，其喷发历史可以分为2个阶段：第一阶段是以玄武质岩浆喷发为主的造盾阶段;第二阶段是以粗面岩、碱流岩喷发为主的造锥阶段。

玄武岩盾主要分布在海拔1 200 m以下，构成天池火山基座。玄武岩最早喷发始于5 Ma左右，在20～12 Ma喷发规模最大，形成长白山玄武岩盾[18]。盾体主要由上新世军舰山组玄武岩（45～21 Ma）[19]和早更新世漫江组玄武岩（20～12 Ma）[20]组成。

由粗面岩组成的锥体分布在1 200 m之上火山口周围。以火山口为中心，由外向内，天池火山锥呈由老到新的环带状（图1（b））。造锥阶段早期以粗面岩为主，构成火山锥体主要部分;造锥阶段晚期以碱流岩为主，呈席状覆盖在锥体最上部[21]，主要为早更新世小白山组粗安粗面岩（096 Ma）[20]、老房子小山组粗面玄武岩（087 Ma）[22]。中—晚更新世白头山组3个阶段的粗面岩构成天池火山锥主体，其中Ⅰ阶段为061～053 Ma[18]，Ⅱ阶段为044～025 Ma[18]，Ⅲ阶段为013～008 Ma[22]。潘波[23]分别建立了天文峰期（506 ka）、气象站期（113 ka）和千年爆发期（095 ka），八卦庙期火山岩喷发时间为085 ka[24]。

12火山岩年龄

根据前人对长白山天池火山喷发地质调查与测年结果[1824]，将天池火山喷发旋回及年龄数据列于表1。

白头山组与天文峰期火山岩喷发于中—晚更新世，与第四纪冰川发育期相同，为冰川期次划分提供了年代学资料。

2火山旋回性喷发与冰川作用的耦合关系

火山喷发形成的锥体与冰川作用形成的U谷是宏观地貌现象，规模可达数百米至数千米，为卫星照片解译提供了可能。位于雪线之上的火山锥在冰期受冰蚀作用后形成冰蚀地貌（冰斗、U谷）。冰蚀地貌遭受火山岩掩盖，构成“火山喷发—冰蚀雕刻—火山掩盖—冰蚀雕刻”的循环关系。根据火山岩年代学数据建立喷发旋回（图1（b），表1），可知长白山天池火山喷发活动贯穿整个第四纪，其造锥过程的喷发强度逐渐减弱。

深海氧同位素阶段（MIS）气候演化的冰期旋回[25]与冰期年龄值为建立火山喷发与冰期旋回提供了年代学基础。深海沉积物中底栖有孔虫的δ18O 值可推断不同时期的温度和全球冰量变化，反映冰期与间冰期的环境交替，即MIS曲线奇数阶段为暖期，对应间冰期（阶），偶数阶段为冷期，对应冰期（阶）。此外，深海氧同位素阶段的划分与测年数据相结合，MIS曲线可完整记录第四纪全球气候的演化规律[15]。

21老房子小山组—锦江冰期U谷—白头山组Ⅰ段的叠压关系

老房子小山组玄武岩（087 Ma）[22]广泛分布在天池火山西侧盾体，构成第一级锥体（图1（b））。其上是典型的U谷，U谷上方被白头山组Ⅰ段粗面岩（061～053 Ma）[18]掩盖，形成一级台阶（图1（b），图2（b））。根据MIS演化阶段，在两期岩浆喷发之间为MIS16[25]，即065 Ma左右的中国东部鄱阳冰期或欧洲贡兹冰期[15]。据此认为，该U谷形成时代为中国东部鄱阳冰期，仅在U谷上端及冰斗部分被白头山组Ⅰ段粗面岩掩盖。

残存的U谷长4 km，宽350～500 m（图2（b）），分布在海拔1 200～1 500 m处，构成锦江河源头区，是长白山地区最早具年代约束的冰川遗迹，故将其命名为锦江冰期，对应中国东部鄱阳冰期。现锦江峡谷景观带上端即为锦江冰期U谷内部，经历60余万年流水侵蚀切割，在谷内形成窄小V谷。

22白头山组Ⅰ段—漫江冰期U谷—白头山组Ⅱ段的叠压关系

白头山组Ⅰ段喷发于061～053 Ma[18]，Ⅱ段喷发于044～025 Ma[18]。053 Ma与044 Ma之间对应于MIS12阶段[25]，即距今045 Ma的中国东部大姑冰期或欧洲民德冰期[15]（图3），该时段出露U谷。

白头山组Ⅰ段与Ⅱ段的火山喷发面积接近，Ⅰ段粗面火山岩的冰蚀地貌多数被Ⅱ段粗面岩覆盖。此时U谷在漫江发源天池的支流源头区出露较好（图1（b），图2（c）），由2条并列的U谷组成，长约27 km，宽约350 m，海拔1 470～1 700 m。根据冰川遗迹的年代学数据约束，将该时期U谷的冰期称为漫江冰期，对应中国东部大姑冰期。

23白头山组Ⅱ段—二道白河冰期U谷—白头山组Ⅲ段的叠压关系

白头山组Ⅱ段（044～025 Ma）[18]在火山锥体分布广泛，其上分布典型U谷，U谷之上被白头山组Ⅲ段粗面岩（013～008 Ma）[22]覆盖，形成台阶（图1（b），图2（d））。根据MIS演化阶段，两期岩浆喷发之间为MIS6阶段[25]，即015 Ma左右的中国东部庐山冰期，或欧洲里斯冰期（图3）[15]。

该时期残存U谷长4 km，宽650 m（图2（d）），分布在海拔1 500～1 900 m处。长白山天池二道白河U谷是有年代学数据约束的冰川遗迹，将U谷在该区的冰期命名为二道白河冰期，对应中国东部庐山冰期。

24末次冰期冰川遗迹

白头山组Ⅲ段粗面岩最晚喷发于008 Ma[22]（表1），分布在天池火山口周边（图1（b））。该套火山岩形成的U谷延伸到天池火山最高处（图2（e）），对应于MIS4阶段[25]，是距007 Ma的东山冰期，即欧洲玉木冰期早冰阶的遗留部分[15]。其后依次为天文峰期（005 Ma）[23]及碱流质爆炸式喷发火山碎屑巖，无法完全覆盖东山冰期冰蚀U谷，其分布海拔为2 000～2 600 m。该冰期遗迹分布在白头山周围，以往将末次冰期称为白头山冰期，本文将末次冰期早冰阶对应的冰期改称为白头山冰期。

末次冰期晚冰阶对应于MIS2阶段[25]，距今2万年左右的蒙山冰期，即欧洲玉木冰期晚冰阶[15]。由于冰川规模远小于东山冰期[10]，其卫片影像辨识度较差。张威等[56]通过冰碛遗迹测年研究，将海拔2 000～2 100 m区域划分为黑风口冰进（冰期），时代为200±21 ka;将海拔2 400～2 600 m区域划分为气象站冰进（冰期），时代为113±12 ka。

25全新世冰川遗迹

目前，关于天池火山全新世冰川遗迹的研究尚无报道。山东蒙山全新世冰碛测年划分出82 ka的拦马冰期和53 ka的清荣冰期[10，12]，长白山火山口是否存在与拦马冰期或清荣冰期对应的冰碛遗留，这有待于进一步研究。

3讨论

31二道白河U谷成因与形成时间

崔天日等[20]研究了天池北侧二道白沟典型U谷，推测其形成与断裂相关。孙建中[1]认为二道白河U谷是冰川作用形成的。孙广友等[2]认为二道白河峡谷为冰川U谷（图4（a）），形成时代为中更新世早期老布克冰期（即中国东部大姑冰期）。裘善文[4]认为二道白河形似U谷，但不一定是冰川谷。潘波[23]认为二道白河U谷是由第四纪高山冰川作用形成的U型深谷。

根据火山岩喷发期次与二道白河同期次U谷的关系，笔者认为二道白河为冰川U谷，形成时代为中国东部庐山冰期（MIS6），并非大姑冰期。二道白河U谷比其他同期U谷延伸长，原因是白头山组Ⅲ段粗面岩喷发时，在二道白河分布区喷溢流量较少，未被大面积覆盖，二道白河U谷才能完整保存。二道白河U谷顶端冰斗斗底高程约1 960 m，推测庐山（二道白河）冰期最高雪线约1 960 m，其他同期U谷也应达到近似高程，只是被后期白头山组Ⅲ段粗面岩覆盖才形成“半截U谷”。推测在MIS6阶段火山口也应形成相应的冰斗地貌，但被白头山组Ⅲ段粗面岩掩盖而不见。

32天池火山口冰斗形成时间

天池火山口共有8个冰斗，其形成时间尚无定论。根据冰斗位置，逆时针将火山口冰斗分别编为1～8号（图1（b）、图4（b）、（c）、（d））。张威等[5]对3号冰斗（青石峰冰斗）进行冰碛测年，获得113±12 ka的年龄，发现末次冰盛期的冰碛垄[2627]，表明火山口冰斗至少形成于MIS2阶段。因火山口冰斗斗底高程高于庐山冰期二道白河U谷冰斗高程，可认为其形成时代为中国东部庐山冰期（MIS6）之后，最早于东山冰期（MIS4）形成。火山口冰斗地貌的形成在白头山组Ⅲ段粗面岩喷发之后（80 ka后）。结合山东蒙山末次冰期冰川规模，东山冰期（MIS4）冰川规模是蒙山冰期（MIS2）冰川规模的数十倍[10，12]。研究表明，天池火山口冰斗形成时间为MIS4阶段，其后经历浮岩等碎屑岩的爆炸式喷发，冰川作用侵蚀未对MIS4阶段形成的冰斗地貌进行改造。目前，天池火山口基本地貌特征在MIS4阶段形成后基本定型并维持到现今。局部地段受后壁海拔高程影响，在之后的冰期，2号、3号、5号、6号冰斗进一步达到2 400 m的海拔。在MIS4冰期，天池水面远低于现今水面，使MIS4在火山口内形成的冰碛被淹没。根据外侧冰蚀地貌，认为MIS4阶段冰期的最低雪线约为2 000 m。

33二道白河与天池贯通时间

中国东部庐山冰期（MIS6）形成U谷后，二道白河成为源头（图4（a））保持至现今，MIS6阶段在火山口内形成的冰斗被后期规模巨大的白头山组Ⅲ段粗面岩掩盖，但二道白河U谷保存下来。MIS4阶段冰期，在乘槎河重新形成1号冰斗（图4（b）），二道白河源头受冰川避谷作用影响，在原来冰斗前端两侧形成“羊角谷”，冰蚀作用未使二道白河与天池贯通，只是削低了连接处的高程，该高程应高于现在水面100 m左右。

潘波[23]在1号冰斗内乘槎河西坡剖面确认八卦庙期（085 ka）黑色粗面岩沉积在白色碱流质浮岩（095 ka）之上，白色浮岩之下为松散砂砾石堆积物，砾石磨圆度较好，反映经过了湖水反复冲刷。该处高出现今水位50 m（图4（c））[23]，表明乘槎河的贯通时间在千年大喷发之前、湖相砾石层形成之后，推测应为中晚全新世，可能在4 ka左右的暖湿雨季，大量降水提升了天池水位，没过1号冰斗后壁外泄，从而贯通二道白河，在1号冰斗内形成乘槎河，在二道白河冰斗后壁形成长白山瀑布。

34长白山是否存在前鄱阳冰期

前人在望天鹅火山周围发现冰川沉积并建立了四等房冰期、腰岭冰期、老布克冰期和二道岗冰期[1]。腰岭冰期和二道岗冰期位于阶地表面，属于鄱阳冰期后的某一冰期沉积。四等房冰期与老布克冰期可能位于望天鹅火山岩覆盖之下，也可能在望天鹅火山岩层中。望天鹅火山的最后喷发时间为241 Ma[22]，這些夹望天鹅火山喷发层的冰碛层时代应为早更新世早期或上新世晚期。

35长白山冰盖消融释压反弹与火山喷发的关系

火山喷发与冰川消融存在明显的耦合关系（图3）。火山喷发紧随冰川消融，其内在因素尚不清楚，但是冰盖消融导致地面释压反弹已有不少研究[2832]。长白山天池火山第四纪大规模旋回性喷发，是否与冰盖消融释压反弹有关，这需进一步研究。

4结论

（1）长白山天池火山锥体周边发育第四纪冰川遗迹，划分了锦江冰期（鄱阳冰期）、漫江冰期（大姑冰期）和二道白河冰期（庐山冰期）。长白山地区锦江冰期的最低雪线约为1 200 m，漫江冰期的最低雪线约为1 470 m，二道白河冰期的最低雪线约为1 500 m。

（2）二道白河U谷是冰川作用形成的典型U谷，形成时间为中国东部庐山冰期。二道白河与天池的贯通时间为中晚全新世。4 ka左右的暖湿期降水没过了1号冰斗与二道白河冰斗之间的刃脊，天池水外泄。

（3）长白山天池火山旋回性喷发可能与天池冰盖消融释压导致地下岩层反弹隆升有关。

致谢：本项研究得到了中国石油大学吕洪波教授、南京师范大学黄家柱教授、中科院海洋研究所赵松龄教授、南京大学杨达源教授、自然资源部第一海洋研究所徐兴永研究员、中国地质科学院地质力学所钱方教授、中国科学院南京湖泊研究所于革教授、中国地质科学院地质研究所苏德辰研究员、河南地矿职业学院张先教授、赤峰学院顾晓辉教授的帮助与支持，审稿专家与编辑提出了诸多良好建议，在此致以诚挚的谢意！

注：文中卫星图片均引自google earth。

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