矿物岩石地球化学通报 新生代火山 Bulletin of Mineral Vol 34 No. 4, July, 2015 长白山火山研究进展 刘嘉麒,陈双双,郭文峰,孙春青,张茂亮,郭正府 中国科学院地质与地球物理研究所,新生代地质与环境研究室,北京100029 摘要:长白山火山位于中朝边界,由数以百计的火山锥和广袤的熔岩台地组成,是一个庞大的火山群,总面积达12000km2; 它有天池、望天鹅、炮台山3个喷发中心和以基性玄武岩岩流造盾,中性粗面岩熔岩筑锥,酸性碱流岩质火山碎屑、火山灰等随 后空降堆积3个主要火山喷发旋回,构成板内巨型层状复式火山。自中新世以来有10个火山幕,近代历史期间仍有过多次喷 发,现为处于休眠状态的活火山;该火山受东北亚板块体系制约,与太平洋板块俯冲和东亚大陆裂谷系密切相关。目前适逢 地质构造的活动期和千年大喷发、百年小喷发周期的节点,存在着潜在的再喷发危险。 关键词:长白山;天池;望天鹅;炮台山 中图分类号:P317文章编号:1007-2802(2015)040710-14doi:10.3969/ J- Issn.1007-2802.201504.005 Research Advances in the Mt. Changbai Volcano LIU Jia-qi, CHEN Shuang-shuang, GUO Wen-feng, SUN Chun-qing, ZHANG Mao-liang, GUO Zheng-fu Key Laboratory of Cenozoic Geology and Entironment, Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of sciences, Beijing 100029, China Abstract: The Mt. Changbai volcano lies in the boundary of China and DPR Korea( Democratic People's Republic of Ko- rea), covers an area of 12, 000 km and is characterized by hundreds of volcanic cones and vast lava tableland, consisting predominantly of Wangtian'e volcano in China, Tianchi volcano on the China-DPR Korea border, and Namphothe volcano in DPR Korea. Compositionally, all volcanisms appear to share a common multi-stage magma evolution that involved the early building shield of trachy basaltic magma and followed by the building cone of trachy and esitic-trachytic magma, and finally the eruption of pantellerite and pyroclastic deposits. The initiation of volcanic activities in the Mt. Changbai area occurred the Miocene period. During the period of recent history the Mt. Changbai volcano has had several major eruptions. The Cenozoic volcanism in Mt. Changbai has been controlled by Northeast Asia plate system, which is closely related with the abduction of the western Pacific Plate and the East Asian continental rift. The Mt. Changbai volcano is dormant currently nd the dormant period has been hundreds of years, which is consistent with the volcanic eruption cycle, implying the po- tential of a future eruption Key words: Mt. Changbai; Tianchi volcano; Wangtian'e volcano; Namphothe volcano 1长白山火山的时空分布 1)。距天池火山约100km的龙岗火山区及东部的 图们江火山区也属于长白山火山区。天池火山处 长白山火山地处太平洋板块与欧亚板块俯冲于长白山火山区域的中部,望天鹅火山距离天池火 地带的中朝边境,是一座规模巨大的板内层状复式山西南35km,南炮台山火山距离天池火山东南 火山,其喷发活动始于中新世,有10个火山幕(刘45km,三者呈三足鼎立形式分布。火山锥体直径 嘉麒,1983),直到公元1903年仍有喷发记录(樊祺40km,锥体顶部由于喷发塌陷形成的巨大火山口 诚等,2006;崔钟燮和刘嘉麒,2006)。长白山火山有积水成湖,称之天池,水域面积达10km2,最大水深 3个主要喷发中心,即天池、望天鹅、南炮台火山(图373m,储水量约为20亿m3,为松花江、图们江和 收稿日期:2015-05-08收到,2015-05-23改回 基金项目:国家自然科学基金项目(41272369;41472320) 第一作者简介:刘嘉麒(1941-),男,研究员,研究方向:火山学第四纪地质学.E-mail: linq@mail. iNcas.ae
书 矿物岩石地球化学通报 ·新生代火山· ＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆＭｉｎｅｒａｌｏｇｙ，ＰｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｖｏｌ３４Ｎｏ４，Ｊｕｌｙ，２０１５ 长白山火山研究进展 刘嘉麒，陈双双，郭文峰，孙春青，张茂亮，郭正府 中国科学院 地质与地球物理研究所，新生代地质与环境研究室，北京 １０００２９ 摘 要：长白山火山位于中朝边界，由数以百计的火山锥和广袤的熔岩台地组成，是一个庞大的火山群，总面积达 １２０００ｋｍ２ ； 它有天池、望天鹅、炮台山 ３个喷发中心和以基性玄武岩岩流造盾，中性粗面岩熔岩筑锥，酸性碱流岩质火山碎屑、火山灰等随 后空降堆积 ３个主要火山喷发旋回，构成板内巨型层状复式火山。自中新世以来有 １０个火山幕，近代历史期间仍有过多次喷 发，现为处于休眠状态的活火山；该火山受东北亚板块体系制约，与太平洋板块俯冲和东亚大陆裂谷系密切相关。目前适逢 地质构造的活动期和千年大喷发、百年小喷发周期的节点，存在着潜在的再喷发危险。 关 键 词：长白山；天池；望天鹅；炮台山 中图分类号：Ｐ３１７ 文章编号：１００７２８０２（２０１５）０４０７１０１４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７２８０２．２０１５．０４．００５ 收稿日期：２０１５０５０８收到，２０１５０５２３改回 基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７２３６９；４１４７２３２０） 第一作者简介：刘嘉麒（１９４１－），男，研究员，研究方向：火山学、第四纪地质学．Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｊｑ＠ｍａｉｌｉｇｇｃａｓ．ａｃｃｎ． ＲｅｓｅａｒｃｈＡｄｖａｎｃｅｓｉｎｔｈｅＭｔ．ＣｈａｎｇｂａｉＶｏｌｃａｎｏ ＬＩＵＪｉａｑｉ，ＣＨＥＮＳｈｕａｎｇｓｈｕａｎｇ，ＧＵＯＷｅｎｆｅｎｇ，ＳＵＮＣｈｕｎｑｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＭａｏｌｉａｎｇ，ＧＵＯＺｈｅｎｇｆｕ ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｅｎｏｚｏｉｃＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ， ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＭｔ．ＣｈａｎｇｂａｉｖｏｌｃａｎｏｌｉｅｓｉｎｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｏｆＣｈｉｎａａｎｄＤＰＲＫｏｒｅａ（ＤｅｍｏｃｒａｔｉｃＰｅｏｐｌｅｓＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＫｏ ｒｅａ），ｃｏｖｅｒｓａｎａｒｅａｏｆ１２，０００ｋｍ２ ａｎｄｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｈｕｎｄｒｅｄｓｏｆｖｏｌｃａｎｉｃｃｏｎｅｓａｎｄｖａｓｔｌａｖａｔａｂｌｅｌａｎｄ，ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙｏｆＷａｎｇｔｉａｎｅｖｏｌｃａｎｏｉｎＣｈｉｎａ，ＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏｏｎｔｈｅＣｈｉｎａＤＰＲＫｏｒｅａｂｏｒｄｅｒ，ａｎｄＮａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｏｉｎ ＤＰＲＫｏｒｅａ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ａｌｌｖｏｌｃａｎｉｓｍｓａｐｐｅａｒｔｏｓｈａｒｅａｃｏｍｍｏｎｍｕｌｔｉｓｔａｇｅｍａｇｍａｅｖｏｌｕｔｉｏｎｔｈａｔｉｎｖｏｌｖｅｄｔｈｅｅａｒｌｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓｈｉｅｌｄｏｆｔｒａｃｈｙｂａｓａｌｔｉｃｍａｇｍａａｎｄｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｃｏｎｅｏｆｔｒａｃｈｙａｎｄｅｓｉｔｉｃｔｒａｃｈｙｔｉｃｍａｇｍａ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅｅｒｕｐｔｉｏｎｏｆｐａｎｔｅｌｌｅｒｉｔｅａｎｄｐｙｒｏｃｌａｓｔｉｃｄｅｐｏｓｉｔｓ．ＴｈｅｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅＭｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉａｒｅａｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎｔｈｅＭｉｏｃｅｎｅｐｅｒｉｏｄ．ＤｕｒｉｎｇｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｒｅｃｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙｔｈｅＭｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉｖｏｌｃａｎｏｈａｓｈａｄｓｅｖｅｒａｌｍａｊｏｒｅｒｕｐｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ＣｅｎｏｚｏｉｃｖｏｌｃａｎｉｓｍｉｎＭｔ．ＣｈａｎｇｂａｉｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｓｉａｐｌａｔｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅ ｓｕｂｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｅｓｔｅｒｎＰａｃｉｆｉｃＰｌａｔｅａｎｄｔｈｅＥａｓｔＡｓｉａｎｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｒｉｆｔ．ＴｈｅＭｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉｖｏｌｃａｎｏｉｓｄｏｒｍａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ａｎｄｔｈｅｄｏｒｍａｎｔｐｅｒｉｏｄｈａｓｂｅｅｎｈｕｎｄｒｅｄｓｏｆｙｅａｒｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｖｏｌｃａｎｉｃｅｒｕｐｔｉｏｎｃｙｃｌｅ，ｉｍｐｌｙｉｎｇｔｈｅｐｏ ｔｅｎｔｉａｌｏｆａｆｕｔｕｒｅｅｒｕｐｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉ；Ｔｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏ；Ｗａｎｇｔｉａｎｅｖｏｌｃａｎｏ；Ｎａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｏ １ 长白山火山的时空分布 长白山火山地处太平洋板块与欧亚板块俯冲 地带的中朝边境，是一座规模巨大的板内层状复式 火山，其喷发活动始于中新世，有 １０个火山幕（刘 嘉麒，１９８３），直到公元 １９０３年仍有喷发记录（樊祺 诚等，２００６；崔钟燮和刘嘉麒，２００６）。长白山火山有 ３个主要喷发中心，即天池、望天鹅、南炮台火山（图 １）。距天池火山约 １００ｋｍ的龙岗火山区及东部的 图们江火山区也属于长白山火山区。天池火山处 于长白山火山区域的中部，望天鹅火山距离天池火 山西南 ３５ｋｍ，南 炮 台 山 火 山 距 离 天 池 火 山 东 南 ４５ｋｍ，三者呈三足鼎立形式分布。火山锥体直径 ４０ｋｍ，锥体顶部由于喷发塌陷形成的巨大火山口 积水成湖，称之天池，水域面积达 １０ｋｍ２ ，最大水深 ３７３ｍ，储水量约为 ２０亿 ｍ３ ，为松花江、图们江和
物岩石地球化学通报2015,34(4) 抚松 中国 朝鲜 望 武箬 团断裂 图1东北亚大陆边缘的地质图以及长白山火山的3个喷发中心(望天鹅、天池、南炮台山火山) Fig 1 Simplified geological map of the northeast Asian continental margin and three eruption centers Wangtian'e, Tianchi and Namphothe volcano ) of the Mt. Changbai volcano 鸭绿江的源头。天池火山周围共计有16座山峰,最碎屑流的堆积,如天池火山周边的鸭绿江大峡谷 高峰为朝鲜一侧的将军峰,海拔高度为2749m,是锦江大峡谷和浮石林等,多为抗风化能力较强的黑 整个长白山火山区乃至东北地区的最高峰,西侧的色火山碎屑流堆积,峡谷最大深度近百米。 白云峰海拔2691m,是长白山火山区在中国境内的2.1以玄武岩浆喷发为主的造盾阶段 最高点。 天池火山区5Ma前开始喷发了大量的玄武质 2长白山火山岩的岩石类型 岩浆,广布于天池火山区的北部和西北部地区及东部 的图们江流域。典型剖面见于头道白河,如药水,头 长白山天池火山作用大致可以分为早期造盾、道村和抚松县泉阳镇及图们江流域的亚硐村和军舰 中期造锥和晚期碱流质喷发3个阶段(刘若新等,山等地。同时期(5~2Ma)在天池火山的东区,沿图 1998)。造盾阶段以玄武岩喷发为主,构成天池火们江流域(图们江断裂带)出露大量玄武岩。图们江 山的基座;造锥阶段以粗面岩为主,为火山椎体的流域火山岩产状以熔岩流为特征。天池火山2 主要部分;晚期以爆发性较强的碱流岩为主,呈席ⅠMa期间大量玄武质岩浆喷涌而出,如天池北部 状覆盖在椎体最上部,同时,近代喷发还伴有火山18km的头道河玄武岩(1.91±0.02Ma)。代表性剖
矿物岩石地球化学通报 ２０１５，３４（４） 图 １ 东北亚大陆边缘的地质图以及长白山火山的 ３个喷发中心（望天鹅、天池、南炮台山火山） Ｆｉｇ．１ ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｏｆｔｈｅｎｏｒｔｈｅａｓｔＡｓｉａｎｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｍａｒｇｉｎａｎｄｔｈｒｅｅｅｒｕｐｔｉｏｎｃｅｎｔｅｒｓ （Ｗａｎｇｔｉａｎｅ，ＴｉａｎｃｈｉａｎｄＮａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｏ）ｏｆｔｈｅＭｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉｖｏｌｃａｎｏ 鸭绿江的源头。天池火山周围共计有 １６座山峰，最 高峰为朝鲜一侧的将军峰，海拔高度为 ２７４９ｍ，是 整个长白山火山区乃至东北地区的最高峰，西侧的 白云峰海拔 ２６９１ｍ，是长白山火山区在中国境内的 最高点。 ２ 长白山火山岩的岩石类型 长白山天池火山作用大致可以分为早期造盾、 中期造锥和晚期碱流质喷发 ３个阶段（刘若新等， １９９８）。造盾阶段以玄武岩喷发为主，构成天池火 山的基座；造锥阶段以粗面岩为主，为火山椎体的 主要部分；晚期以爆发性较强的碱流岩为主，呈席 状覆盖在椎体最上部，同时，近代喷发还伴有火山 碎屑流的堆积，如天池火山周边的鸭绿江大峡谷、 锦江大峡谷和浮石林等，多为抗风化能力较强的黑 色火山碎屑流堆积，峡谷最大深度近百米。 ２１ 以玄武岩浆喷发为主的造盾阶段 天池火山区 ５Ｍａ前开始喷发了大量的玄武质 岩浆，广布于天池火山区的北部和西北部地区及东部 的图们江流域。典型剖面见于头道白河，如药水，头 道村和抚松县泉阳镇及图们江流域的亚硐村和军舰 山等地。同时期（５～２Ｍａ）在天池火山的东区，沿图 们江流域（图们江断裂带）出露大量玄武岩。图们江 流域火 山 岩 产 状 以 熔 岩 流 为 特 征。天 池 火 山 ２～ １Ｍａ期间大量玄武质岩浆喷涌而出，如天池北部 １８ｋｍ的头道河玄武岩（１９１±００２Ｍａ）。代表性剖 ７１１
712 刘嘉麒等:长白山火山研究进展 面天池北部的白龙水电站剖面( Wei et al.,2007)和天1%),基质由长石、橄榄石、辉石和钛铁矿微晶组成 池西部的漫江剖面(樊祺诚等,2005)。天池造盾玄武橄榄石大多伊丁石化,斜长石发育明显环带和熔蚀 岩呈斑状结构(图2a),斑晶为橄榄石(~3%,Φ0.5~结构。 2.0mm)、斜长石(~5%,Φ0.5~4.0mm)和单斜辉2.2以粗面岩喷发为主的造锥阶段 石(-5%,Φ0.5-4.0mm),基质(-65%)由斜长石、 天池火山在1~0.02Ma期间进入粗安岩、粗面 辉石、橄榄石微晶和磁铁矿与磷灰石及玄武质玻璃组岩及碱流岩造锥喷发阶段。典型剖面为长白瀑布 成,气孔构造发育(20%)。斜长石斑晶有明显的环带剖面:自下而上可分4个大的熔岩旋回,下部为粗面 和熔蚀结构。 岩,顶部为碱流岩;还有天池南坡小白山的粗安-粗 望天鹅火山长白期粗面玄武质熔岩分布于望面岩、天池北坡大峡谷的粗面岩以及天文峰一带的 天鹅锥体的外围构成了广阔的熔岩台地,在中国境碱流岩。小白山粗安-粗面岩位于天池南坡景区,岩 内南抵鸭绿江西至临江,熔岩流厚度大于200m。石为黑灰色粗面安山质到灰色碱性粗面岩。火山 在十三道沟与十九道沟之间的部分被后期水系的岩呈斑状结构块状构造,斑晶主要为歪长石、斜长 切割出露以双山为代表的台阶式熔岩流剖面。火石,基质为斜长石、碱性长石、辉石、钛铁矿和磷灰 山岩以黑色致密块状为代表,无斑隐晶质结构较为石微晶。天池火山粗面岩造锥喷发层序的经典剖 常见(图2b),部分流动单元含有斜长石的聚斑(含面位于天池北坡的大峡谷,同时在天池或山区的外 量20%~30%,粒径5~10mm),类似斜长石的堆晶围也有玄武质岩浆活动。天池造锥粗面岩呈斑状 结构。 结构(图2d),斑晶为透长石或歪长石(10%)、钙铁 炮台山造盾玄武岩呈斑状结构(图2c),斑晶为辉石(1%)、铁橄榄石(1%)、钛铁矿(l%)和少量石 斜长石(~10‰)、橄榄石和辉石(~3%)、钛铁矿(~英。基质由碱性长石、钛铁矿、石英的微晶组成。 ol-橄榄石;Py-辉石;Pl-斜长石;fsp-碱性长石;Q-石英 图2长白山火山岩岩相显微照片 Fig. 2 The micrograph of volcanic rocks from the Mt. Changbai volcano
刘嘉麒等：长白山火山研究进展 面天池北部的白龙水电站剖面（Ｗｅｉｅｔａｌ．，２００７）和天 池西部的漫江剖面（樊祺诚等，２００５）。天池造盾玄武 岩呈斑状结构（图 ２ａ），斑晶为橄榄石（～３％，Φ ０５～ ２０ｍｍ）、斜长石（～５％，Φ ０５～４０ｍｍ）和单斜辉 石（～５％，Φ０５～４０ｍｍ），基质（～６５％）由斜长石、 辉石、橄榄石微晶和磁铁矿与磷灰石及玄武质玻璃组 成，气孔构造发育（２０％）。斜长石斑晶有明显的环带 和熔蚀结构。 Ｏｌ橄榄石；Ｐｙ辉石；Ｐｌ斜长石；ｆｓｐ碱性长石；Ｑ石英 图 ２ 长白山火山岩岩相显微照片 Ｆｉｇ．２ ＴｈｅｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆｖｏｌｃａｎｉｃｒｏｃｋｓｆｒｏｍｔｈｅＭｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉｖｏｌｃａｎｏ 望天鹅火山长白期粗面玄武质熔岩分布于望 天鹅锥体的外围构成了广阔的熔岩台地，在中国境 内南抵鸭绿江西至临江，熔岩流厚度大于 ２００ｍ。 在十三道沟与十九道沟之间的部分被后期水系的 切割出露以双山为代表的台阶式熔岩流剖面。火 山岩以黑色致密块状为代表，无斑隐晶质结构较为 常见（图 ２ｂ），部分流动单元含有斜长石的聚斑（含 量 ２０％～３０％，粒径 ５～１０ｍｍ），类似斜长石的堆晶 结构。 炮台山造盾玄武岩呈斑状结构（图 ２ｃ），斑晶为 斜长石（～１０％）、橄榄石和辉石（～３％）、钛铁矿（～ １％），基质由长石、橄榄石、辉石和钛铁矿微晶组成。 橄榄石大多伊丁石化，斜长石发育明显环带和熔蚀 结构。 ２２ 以粗面岩喷发为主的造锥阶段 天池火山在 １～００２Ｍａ期间进入粗安岩、粗面 岩及碱流岩造锥喷发阶段。典型剖面为长白瀑布 剖面：自下而上可分 ４个大的熔岩旋回，下部为粗面 岩，顶部为碱流岩；还有天池南坡小白山的粗安粗 面岩、天池北坡大峡谷的粗面岩以及天文峰一带的 碱流岩。小白山粗安粗面岩位于天池南坡景区，岩 石为黑灰色粗面安山质到灰色碱性粗面岩。火山 岩呈斑状结构块状构造，斑晶主要为歪长石、斜长 石，基质为斜长石、碱性长石、辉石、钛铁矿和磷灰 石微晶。天池火山粗面岩造锥喷发层序的经典剖 面位于天池北坡的大峡谷，同时在天池或山区的外 围也有玄武质岩浆活动。天池造锥粗面岩呈斑状 结构（图 ２ｄ），斑晶为透长石或歪长石（１０％）、钙铁 辉石（１％）、铁橄榄石（１％）、钛铁矿（１％）和少量石 英。基质由碱性长石、钛铁矿、石英的微晶组成。 ７１２
物岩石地球化学通报2015,34(4) 713 在十五道沟望天鹅景区可见二者中间有一层英、长石和钛铁矿微晶组成。 厚约0.5m的红土层间隔。在十九道沟长松隧道 炮台山碱流岩呈斑状结构(图2i),斑晶为碱性 中也可见此红土层。此期火山岩组成了望天鹅火长石为主(~15%),钙铁辉石次之(~5%),基质( 山的锥体,樊祺诚等(1998)将此期火山岩分为早晚80%)为长石、石英、钛铁矿微晶组成。长石斑晶筛 两个亚期。早期火山岩构成了望天鹅火山和红头状熔蚀结构发育,辉石暗化边结构发育。 山锥体的主要部分。岩性为玄武质粗安岩和粗面 岩,斑状结构(图2e),斑晶主体为斜长石(~20%) 3长白山火山岩的地球化学特征 辉石(-5%),少量橄榄石和钛铁矿。基质(~70%)3.1主微量元素 为长石和钛铁矿微晶以及火山玻璃组成,长石斑晶 根据野外地质调查以及(K2O+Na20)-SiO2图 显示出明显的环带和筛状熔蚀结构 解(图3),望天鹅、天池、南炮台山火山的岩性特征 炮台山造锥粗面岩呈斑状结构(图2),斑晶为都落在粗面玄武岩粗面岩碱流岩岩浆演化序列上 碱性长石(-15%)、少量辉石、橄榄石和钛铁矿(-(图3)。这3个喷发中心的火山岩的SiO2值基本 5%)组成,基质(-80%)由长石和钛铁矿微晶组成。在48%-55%和61%-70%,而少有55%-61%的 2.3以碱流岩为主的晚期阶段 SiO2值,因此认为这3个喷发中心的火山岩都属于 天池火山近代喷发的火山碎屑岩和碱流质寄双峰式火山岩(图3)。里特曼指数(a=(Na2O+ 生火山熔岩,代表性剖面为天池北坡顶部的天文K2O)/(02-43))显示了较大的变化范围(1.91 峰,该剖面由5000年和千年大喷发的浮岩与气象站7.7),但其平均值大致为4.26,属于碱性岩浆系列 碱流质熔岩流组成。天池气象站碱流岩呈斑状和(图3)。此外,火山岩的Mg值[Mg"=Mg/(Mg+ 聚斑结构(图2g),斑晶为透长石(~10%)、钙铁辉Fe)]变化范围相对较大(0.37-0.01),并且在哈 石(-2%)、铁橄榄石(-1%)、少量石英和钛铁矿,克图解中SO2与大多数主量氧化物之间都有很好 基质(~85%)由钠铁闪石、钛铁矿和火山玻璃组成。的相关关系(图4),如SO2与TO2,Al2O3,TFeO 在天池火山近代喷发的浮岩之上又出现了玄武质Mg0,CaO呈很好的负相关关系,都说明结晶分异作 岩浆的喷发,如见于朝鲜境内无头峰的红色熔岩渣用在长白山火山形成过程中起到了非常重要的 (刘嘉麒,1999) 作用。 望天鹅晚期火山活动是顶部的块状碱性流纹 望天鹅、天池、南炮台山火山的微量元素含量 岩。位于红头山顶部的碱性流纹岩是望天鹅火山都相对较高,其球粒陨石标准化稀土配分以及原始 区最晚期活动的产物,相当于望天鹅火山的一个寄地幔标准化蛛网图都与洋岛玄武岩(OB)的分布模 生火山喷发产物。望天鹅碱流岩呈碎块状散落堆式相似(图5)。这些火山岩都具有明显富集的轻稀 积在红头山顶部,岩石呈斑状结构(图2h),斑晶以土元素(LREE)和大离子亲石元素(LIE),以及较 石英为主(-20%),长石次之(~10%),基质为石为亏损的重稀土元素(HREE),他们的(La/Yb)x 钾玄岩系列 流纹岩 2武若楼 安山岩 05560 4550556065 天池玄武岩[]望天鹅玄武若 炮台山基性岩[天池[天池酸性岩 望天鹅酸性岩[炮台山酸性岩 望天鹅 ]朝鲜其他地区玄武岩 图3长白山火山岩K2O+Na2O-SiO2图解及K2OSi0O2图 Fig 3 Plots of K, 0+Na, O ts. SiO, and K,O ts. SiO, for the Mt. Changbai volcanics
矿物岩石地球化学通报 ２０１５，３４（４） 在十五道沟望天鹅景区可见二者中间有一层 厚约 ０５ｍ的红土层间隔。在十九道沟长松隧道 中也可见此红土层。此期火山岩组成了望天鹅火 山的锥体，樊祺诚等（１９９８）将此期火山岩分为早晚 两个亚期。早期火山岩构成了望天鹅火山和红头 山锥体的主要部分。岩性为玄武质粗安岩和粗面 岩，斑状结构（图 ２ｅ），斑晶主体为斜长石（～２０％）、 辉石（～５％），少量橄榄石和钛铁矿。基质（～７０％） 为长石和钛铁矿微晶以及火山玻璃组成，长石斑晶 显示出明显的环带和筛状熔蚀结构。 图 ３ 长白山火山岩 Ｋ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ－ＳｉＯ２ 图解及 Ｋ２ＯＳｉＯ２ 图解 Ｆｉｇ．３ ＰｌｏｔｓｏｆＫ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏｖｓ．ＳｉＯ２ ａｎｄＫ２Ｏｖｓ．ＳｉＯ２ ｆｏｒｔｈｅＭｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉｖｏｌｃａｎｉｃｓ 炮台山造锥粗面岩呈斑状结构（图 ２ｆ），斑晶为 碱性长石（～１５％）、少量辉石、橄榄石和钛铁矿（～ ５％）组成，基质（～８０％）由长石和钛铁矿微晶组成。 ２３ 以碱流岩为主的晚期阶段 天池火山近代喷发的火山碎屑岩和碱流质寄 生火山熔 岩，代 表 性 剖 面 为 天 池 北 坡 顶 部 的 天 文 峰，该剖面由 ５０００年和千年大喷发的浮岩与气象站 碱流质熔岩流组成。天池气象站碱流岩呈斑状和 聚斑结构（图 ２ｇ），斑晶为透长石（～１０％）、钙铁辉 石（～２％）、铁橄榄石（～１％）、少量石英和钛铁矿， 基质（～８５％）由钠铁闪石、钛铁矿和火山玻璃组成。 在天池火山近代喷发的浮岩之上又出现了玄武质 岩浆的喷发，如见于朝鲜境内无头峰的红色熔岩渣 （刘嘉麒，１９９９）。 望天鹅晚期火山活动是顶部的块状碱性流纹 岩。位于红头山顶部的碱性流纹岩是望天鹅火山 区最晚期活动的产物，相当于望天鹅火山的一个寄 生火山喷发产物。望天鹅碱流岩呈碎块状散落堆 积在红头山顶部，岩石呈斑状结构（图 ２ｈ），斑晶以 石英为主 （～２０％），长石次之 （～１０％），基 质 为 石 英、长石和钛铁矿微晶组成。 炮台山碱流岩呈斑状结构（图 ２ｉ），斑晶为碱性 长石为主（～１５％），钙铁辉石次之（～５％），基质（～ ８０％）为长石、石英、钛铁矿微晶组成。长石斑晶筛 状熔蚀结构发育，辉石暗化边结构发育。 ３ 长白山火山岩的地球化学特征 ３１ 主微量元素 根据野外地质调查以及 （Ｋ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ）ＳｉＯ２ 图 解（图 ３），望天鹅、天池、南炮台山火山的岩性特征 都落在粗面玄武岩粗面岩碱流岩岩浆演化序列上 （图 ３）。这 ３个喷发中心的火山岩的 ＳｉＯ２ 值基本 在 ４８％～５５％和 ６１％～７０％，而少有 ５５％～６１％的 ＳｉＯ２ 值，因此认为这 ３个喷发中心的火山岩都属于 双峰式 火 山 岩 （图 ３）。里 特 曼 指 数 （σ＝（Ｎａ２Ｏ＋ Ｋ２Ｏ）２／（ＳｉＯ２－４３））显示了较大的变化范围（１９１～ ７７），但其平均值大致为 ４２６，属于碱性岩浆系列 （图 ３）。此 外，火 山 岩 的 Ｍｇ＃值 ［Ｍｇ＃ ＝Ｍｇ／（Ｍｇ＋ Ｆｅ２＋ ）］变化范围相对较大（０３７～００１），并且在哈 克图解中 ＳｉＯ２ 与大多数主量氧化物之间都有很好 的相关关系 （图 ４），如 ＳｉＯ２ 与 ＴｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＴＦｅＯ， ＭｇＯ，ＣａＯ呈很好的负相关关系，都说明结晶分异作 用在长 白 山 火 山 形 成 过 程 中 起 到 了 非 常 重 要 的 作用。 望天鹅、天池、南炮台山火山的微量元素含量 都相对较高，其球粒陨石标准化稀土配分以及原始 地幔标准化蛛网图都与洋岛玄武岩（ＯＩＢ）的分布模 式相似（图 ５）。这些火山岩都具有明显富集的轻稀 土元素（ＬＲＥＥ）和大离子亲石元素（ＬＩＬＥ），以及较 为 亏 损 的 重 稀 土 元 素 （ＨＲＥＥ），他 们 的 （Ｌａ／Ｙｂ）Ｎ ７１３
714 刘嘉麒等:长白山火山研究进展 10 27 受 口 07580 SiO,/%o 天池基性岩⑦望天基性岩炮台山基性岩 □前人数提 天池酸性岩⑦望天鹅性岩 炮台山酸性岩 前人数据 图4望天鹅、天池、南炮台火山的哈克图解 Fig 4 Plots of selected major elements versus SiO, for Wangtian'e volcano, Tianchi volcano and Namphothe volcano (6.48~13.54)和(La/Sm)x(1.62~3.56)值相对 将近半个世纪。近20年来,随着国家对火山及灾害 高,并具有明显的T负异常和Pb正异常。所有的领域科研投资力度的加大,吸引不少火山学家对长 碱流岩都显示明显的Eu、Ba、Sr负异常。 白山火山区进行深入研究,地球化学方法的加入 3.2Sr-Nd同位素 大量年代学结果发表,使长白山火山活动序列的研 望天鹅、天池、南炮台山火山岩具有较大变化究取得了更多的进展,尤其是天池和望天鹅两个喷 范围的sr/sr值(0.7046~0.7101),而4Nd/lld发中心的活动期次变得越来越清晰。另外,据Ri 值(0.5125~0.5127)的变化范围则相对较小。其(193)的研究发现,朝鲜境内长白山火山的火山层 Sr-Nd同位素特征相对较为富集,主要落在OIB的序可以总结为:上新世普天统玄武岩(相当于中国 范围内(图6)。碱流岩的sr/sSr值(0.7088-境内的军舰山组和白山组的玄武岩);早更新世的 0.7101)明显要比玄武岩和粗面岩的3Sr/sr值绿峰组的粗面岩和北雪峰组的碱性流纹岩对应与 (0.7046~0.7054)大得多,这可能是由于在碱流岩天池南小白山组粗安岩和粗面岩;中更新世喷发层 形成过程中有地壳物质的混入有关。 为北胞胎山(炮台山)的碱流岩和粗面岩;晚更新世 4长白山火山3个喷发中心和三大喷为天池火山的玄武岩和向导峰将军峰等的粗面岩 发旋回 和碱流岩喷发层,最后为富含浮岩的碎屑岩层。刘 嘉麒等2002年和2004年对炮台山火山区及朝鲜普 长白山火山区的火山序列的研究工作开展已天和吉州进行了系统考察。对炮台山及邻区火山
刘嘉麒等：长白山火山研究进展 图 ４ 望天鹅、天池、南炮台火山的哈克图解 Ｆｉｇ．４ ＰｌｏｔｓｏｆｓｅｌｅｃｔｅｄｍａｊｏｒｅｌｅｍｅｎｔｓｖｅｒｓｕｓＳｉＯ２ ｆｏｒＷａｎｇｔｉａｎｅｖｏｌｃａｎｏ，ＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｎｄＮａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｏ （６４８～１３５４）和（Ｌａ／Ｓｍ）Ｎ（１６２～３５６）值相对较 高，并具有明显的 Ｔｉ负异常和 Ｐｂ正异常。所有的 碱流岩都显示明显的 Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ负异常。 ３２ ＳｒＮｄ同位素 望天鹅、天池、南炮台山火山岩具有较大变化 范围的 ８７ Ｓｒ／８６ Ｓｒ值（０７０４６～０７１０１），而 １４３ Ｎｄ／１４４ Ｎｄ 值（０５１２５～０５１２７）的变 化 范 围 则 相 对 较 小。其 ＳｒＮｄ同位素特征相对较为富集，主要落在 ＯＩＢ的 范围 内 （图 ６）。 碱 流 岩 的 ８７ Ｓｒ／８６ Ｓｒ值 （０７０８８～ ０７１０１）明 显 要 比 玄 武 岩 和 粗 面 岩 的 ８７ Ｓｒ／８６ Ｓｒ值 （０７０４６～０７０５４）大得多，这可能是由于在碱流岩 形成过程中有地壳物质的混入有关。 ４ 长白山火山 ３个喷发中心和三大喷 发旋回 长白山火山区的火山序列的研究工作开展已 将近半个世纪。近 ２０年来，随着国家对火山及灾害 领域科研投资力度的加大，吸引不少火山学家对长 白山火山区进行深入研究，地球化学方法的加入， 大量年代学结果发表，使长白山火山活动序列的研 究取得了更多的进展，尤其是天池和望天鹅两个喷 发中心的活 动 期 次 变 得 越 来 越 清 晰。另 外，据 Ｒｉ （１９９３）的研究发现，朝鲜境内长白山火山的火山层 序可以总结为：上新世普天统玄武岩（相当于中国 境内的军舰山组和白山组的玄武岩）；早更新世的 绿峰组的粗面岩和北雪峰组的碱性流纹岩对应与 天池南小白山组粗安岩和粗面岩；中更新世喷发层 为北胞胎山（炮台山）的碱流岩和粗面岩；晚更新世 为天池火山的玄武岩和向导峰将军峰等的粗面岩 和碱流岩喷发层，最后为富含浮岩的碎屑岩层。刘 嘉麒等 ２００２年和 ２００４年对炮台山火山区及朝鲜普 天和吉州进行了系统考察。对炮台山及邻区火山 ７１４
物岩石地球化学通报2015,34(4) 要监咀 Ba Th U Nb Ta K LaCe Pb Sr P NdSm Zr HfEu Ti Tb Y YbLu I La ce pr nd sm ey gd tb dy ho er tm yb lu0.01 (d) NDG12-04 bBa Th u Nb tak La ce pb 炮台山 1000 容唱 RbBaTh U NbTa K La Ce p Nd Smar Hf Eu ti tb y yb 阴影为前人数据范围,灰色为酸性岩,蓝色和黄色为 图5望天鹅、天池、南炮台山火山岩的球粒陨石标准化稀土配分图解以及原始地幔标准化蛛网图 trace element patterns of Wangtian'e, Tianchi and Namphothe volcanics 岩样品的K-Ar同位素年龄测试(表1),表明长白山 朝鲜一侧普天和吉州玄武岩的年代为5 3.80Ma,与天池火山北的头道组和望天鹅的双山 玄武岩相当。炮台山底部的造盾玄武岩年龄为 1.79Ma与天池白山期年龄相近。炮台山锥体3类 EM2 岩石(玄武粗安岩、粗面岩、碱流岩)的年龄都集中 于1.18~1.28Ma,属于早更新世。综合最新天池 0.5119 0.710 和望天鹅火山喷发层序年代划分方式和朝鲜炮台 山及邻区的层序年代数据(表2),本文将长白山火 o望天鹅玄武岩[▲地台山玄武岩[●三池渊玄武岩 山喷发活动的历史演变总结如下(图7;表2):长白 口希匚冪【△口輜出瘦礬 山火山活动始于中新世早期,以高MgO的玄武岩喷 图6望天鹅、天池、南炮台山火山的Nd/Nd/r图解发为特点,在中新世中晚期有一个火山活动的安静 Fig6 Plots of Nd/Nd rs. "" Sr/Sr for Wangtian'e 期。上新世(~5Ma)开始发生大规模的盾状玄武 Tianchi and Namphothe volcanies 质岩浆活动,其范围广泛,覆盖天池、望天鹅和朝鲜
矿物岩石地球化学通报 ２０１５，３４（４） 阴影为前人数据范围，灰色为酸性岩，蓝色和黄色为基性岩 图 ５ 望天鹅、天池、南炮台山火山岩的球粒陨石标准化稀土配分图解以及原始地幔标准化蛛网图 Ｆｉｇ．５ ＣｈｏｎｄｒｉｔｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄＲＥＥｐａｔｔｅｒｎｓａｎｄｐｒｉｍｉｔｉｖｅｍａｎｔｌｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｐａｔｔｅｒｎｓｏｆＷａｎｇｔｉａｎｅ，ＴｉａｎｃｈｉａｎｄＮａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｉｃｓ 图 ６ 望天鹅、天池、南炮台山火山的 １４３ Ｎｄ／１４４ Ｎｄ８７ Ｓｒ／８６ Ｓｒ图解 Ｆｉｇ．６ Ｐｌｏｔｓｏｆ１４３ Ｎｄ／１４４ Ｎｄｖｓ．８７ Ｓｒ／８６ ＳｒｆｏｒＷａｎｇｔｉａｎｅ， ＴｉａｎｃｈｉａｎｄＮａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｉｃｓ 岩样品的 ＫＡｒ同位素年龄测试（表 １），表明长白山 朝鲜 一 侧 普 天 和 吉 州 玄 武 岩 的 年 代 为 ５９２～ ３８０Ｍａ，与天池火山北的头道组和望天鹅的双山 玄武岩 相 当。 炮 台 山 底 部 的 造 盾 玄 武 岩 年 龄 为 １７９Ｍａ与天池白山期年龄相近。炮台山锥体 ３类 岩石（玄武粗安岩、粗面岩、碱流岩）的年龄都集中 于 １１８～１２８Ｍａ，属于早更新世。综合最新天池 和望天鹅火山喷发层序年代划分方式和朝鲜炮台 山及邻区的层序年代数据（表 ２），本文将长白山火 山喷发活动的历史演变总结如下（图 ７；表 ２）：长白 山火山活动始于中新世早期，以高 ＭｇＯ的玄武岩喷 发为特点，在中新世中晚期有一个火山活动的安静 期。上新世（～５Ｍａ）开始发生大规模的盾状玄武 质岩浆活动，其范围广泛，覆盖天池、望天鹅和朝鲜 ７１５
716 刘嘉麒等:长白山火山研究进展 天池火山历史喷发碎屑岩 天池气象站碱流岩 白头山Ⅲ粗面岩/碱流岩 白头山Ⅱ粗面岩/老虎润玄武岩 白头山粗面岩 老房子小山玄武岩 粗安岩 望天鹅Ma 碱性流纹岩 炮台山玄武粗安岩 粗面岩和碱流岩 红头山粗面岩 望天鹅锥体多晶玄武岩 炮台山玄武岩 十九道沟玄武岩 普天统玄武岩 双山玄武岩 4基底 沿江村玄武岩 4136 43 图7望天鹅、天池、炮台山3个喷发中心层序柱状图 (据樊祺诚等,2007;陈晓雨等,2008; Wei et modified from Fan Qicheng et aL., 2007; Chen Xiaoyu et al., 2008: Wei et al., 2013 and this study 境内炮台山等火山区。而在此阶段(2~3Ma)形成火山气体(例如,CO2、SO2、H2S、HC1、HF等)及气溶 了望天鹅火山的中酸性岩。更新世(~2Ma)开始胶与地质历史时期的区域乃至全球尺度上的气候 望天鹅火山区火山活动结束,而炮台山火山短期内与环境变化密切相关( Robock,2000)。尽管休眠火 喷发形成了玄武岩-粗面岩-碱流岩,与此同时天池山的温室气体释放强度低于喷发期,但休眠期的持 进入到白山期玄武岩造盾阶段,并同时形成了小白续时间长、温泉和土壤微渗漏气体的释放面积大 山粗安和粗面岩。中更新世(1Ma)开始炮台山火导致休眠火山区释放的火山气体(主要是CO2)总 山活动结束,长白山进入天池火山独立活动演化时量同样不容忽视,甚至高于火山喷发期的气体释放 期从粗面岩和碱流岩造锥到近代喷发的火山碎屑规模( Sigurdsson,2000; Schmincke,2004; Werner et 岩。但此阶段内玄武质岩浆活动继续进行,形成长al.,2008)。 白山火山区广泛分布的玄武质小火山渣锥。因此 长白山火山是一座具有潜在喷发危险的火山 从长白山火山的喷发物时空分布规律和地貌格局在地质历史时期发生了多次大规模火山喷发(刘嘉 可以看出,3个主要喷发中心北-西-东三足鼎立的地麒,1987,1988)。地球物理研究揭示了目前长白山 质和地貌格局代表了其基本的喷发序列的特点。 火山下方残留的高温岩浆房( Zhang et al.,2002; 5长白山火山气体及其环境效应 Zhao et al.,2009),并且火山区内的水热活动和土壤 微渗漏仍然很强烈( Zhang et a.,2015)。因此,不论 火山气体是火山活动的产物之一,在全球气候处于喷发期还是休眠期,长白山火山释放的火山气 与环境变化研究中发挥着重要的作用( Fischer et体(包括温室气体)对地质历史时期与当今全球气 l,2007)。研究表明,大规模火山喷发产生的巨量候环境变化均产生了潜在的影响
刘嘉麒等：长白山火山研究进展 图 ７ 望天鹅、天池、炮台山 ３个喷发中心层序柱状图 （据樊!诚等，２００７；陈晓雨等，２００８；Ｗｅｉｅｔａｌ．，２０１３；本文） Ｆｉｇ．７ ＶｏｌｃａｎｉｃａｇｅｈｉｓｔｏｇｒａｍｆｏｒＷａｎｇｔｉａｎｅ，ＴｉａｎｃｈｉａｎｄＮａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｏ （ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍＦａｎＱｉｃｈｅｎｇｅｔａｌ．，２００７；ＣｈｅｎＸｉａｏｙｕｅｔａｌ．，２００８；Ｗｅｉｅｔａｌ．，２０１３ａｎｄｔｈｉｓｓｔｕｄｙ） 境内炮台山等火山区。而在此阶段（２～３Ｍａ）形成 了望天鹅火山的中酸性岩。更新世（～２Ｍａ）开始 望天鹅火山区火山活动结束，而炮台山火山短期内 喷发形成了玄武岩粗面岩碱流岩，与此同时天池 进入到白山期玄武岩造盾阶段，并同时形成了小白 山粗安和粗面岩。中更新世（１Ｍａ）开始炮台山火 山活动结束，长白山进入天池火山独立活动演化时 期从粗面岩和碱流岩造锥到近代喷发的火山碎屑 岩。但此阶段内玄武质岩浆活动继续进行，形成长 白山火山区广泛分布的玄武质小火山渣锥。因此， 从长白山火山的喷发物时空分布规律和地貌格局 可以看出，３个主要喷发中心北西东三足鼎立的地 质和地貌格局代表了其基本的喷发序列的特点。 ５ 长白山火山气体及其环境效应 火山气体是火山活动的产物之一，在全球气候 与环 境 变 化 研 究 中 发 挥 着 重 要 的 作 用 （Ｆｉｓｃｈｅｒｅｔ ａｌ．，２００７）。研究表明，大规模火山喷发产生的巨量 火山气体（例如，ＣＯ２、ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ、ＨＦ等）及气溶 胶与地质历史时期的区域乃至全球尺度上的气候 与环境变化密切相关（Ｒｏｂｏｃｋ，２０００）。尽管休眠火 山的温室气体释放强度低于喷发期，但休眠期的持 续时间长、温泉和土壤微渗漏气体的释放面积大， 导致休眠火山区释放的火山气体（主要是 ＣＯ２）总 量同样不容忽视，甚至高于火山喷发期的气体释放 规 模 （Ｓｉｇｕｒｄｓｓｏｎ，２０００；Ｓｃｈｍｉｎｃｋｅ，２００４；Ｗｅｒｎｅｒｅｔ ａｌ．，２００８）。 长白山火山是一座具有潜在喷发危险的火山， 在地质历史时期发生了多次大规模火山喷发（刘嘉 麒，１９８７，１９８８）。地球物理研究揭示了目前长白山 火山 下 方 残 留 的 高 温 岩 浆 房 （Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２００２； Ｚｈａｏｅｔａｌ．，２００９），并且火山区内的水热活动和土壤 微渗漏仍然很强烈（Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）。因此，不论 处于喷发期还是休眠期，长白山火山释放的火山气 体（包括温室气体）对地质历史时期与当今全球气 候环境变化均产生了潜在的影响。 ７１６
物岩石地球化学通报2015,34(4) 表1炮台山火山及邻区火山岩KAr年龄 Table 1 The K-Ar age of the Namphothe volcano and neighboring areas 样品号 岩性 采样位置测试对象 (Ar"dials/g) 表面年龄 K/% (±1a,Ma) 玄武岩 邻区三池渊基质 0.2541×10-12 3.18 玄武粗安岩炮台山山腰 2.6255334×10-12 27.01 玄武粗安岩炮台山山腰基质 5.5294×10-12 碱流岩 炮台山山脚基质 63.6 1.28±0.03 本文 粗面岩 炮台山山脚 5.1410.0470×10 1.17±0.02 粗面岩 炮台山顶部 玄武岩炮台山造盾基质 1.79 5.553×10-12 179±0.21 玄武岩 93636×10 -27玄武安山岩朝鲜普天 基质 2244×10 K02076 玄武岩 炮台山造盾基质 5.76±0.65 本文 K04-16 玄武岩 朝鲜普天 1.019.4701×10-12 5.40±0.14 本文 K04-17 玄武岩 朝鲜普天 基质 1.4906×10-1 5.92±0.19 本文 玄武岩 朝鲜普天 1.8280×10 7.79±0.96 k04-15 玄武岩 朝鲜普天 0.365.1664×10-12 K04-22 玄武岩 朝鲜普天 基质 7.4256×10- 21.07±0.64 玄武岩 朝鲜普天 979 97.75 03 玄武岩 朝鲜吉州 玄武岩 9.7083×10-12 本文 主:A=5.543× A.=0.581×100/a,A=4.962×10-0/a,K/K=1.167×10/克分子/克;分析者:中国地震局地质研究所年代实验室 表2长白山火山区喷发层序总结 Table 2 Volcanic eruption sequence of the Mt Changbai volcano 年龄/Ma 天池( Wei et al.,2013)望天鹅(樊祺诚等,2007;陈晓雨等,2008) 炮台山(本文) 天池碎屑岩 千年大喷发浮岩(939~946AD) 气象站碱流岩(17ka) 更新世 白头山Ⅲ粗面岩碱流岩 白头山Ⅱ粗面岩夹玄武岩 0.5 白头山I粗面岩夹玄武岩 0.7 老房子小山玄武岩 炮台山粗面岩(120Ma) 1小白山粗安岩租面岩(1-149Ma) 炮台山玄武粗安岩(1.18-1.20Ma) 白山玄武岩(148-1.66Ma) 炮台山碱流岩(1.28Ma) 炮台山玄武岩(179Ma 红头山期流纹岩(2.12Ma) 头道玄武岩(2.35-5.02Ma)望天鹅期粗安岩(2.69-2.7Ma) 普天统玄武岩(3.8-592Ma) 长白期玄武岩(3-4.77Ma) 8 奶头山玄武岩 普天统玄武岩 中新世 长白中新世玄武岩 5.6~20Ma) (164-12.28Ma) (8~21Ma)
矿物岩石地球化学通报 ２０１５，３４（４） 表 １ 炮台山火山及邻区火山岩 ＫＡｒ年龄 书 Ｔａｂｌｅ１ ＴｈｅＫＡｒａｇｅｏｆｔｈｅＮａｍｐｈｏｔｈｅｖｏｌｃａｎｏａｎｄｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇａｒｅａｓ 样品号 岩性 采样位置 测试对象 Ｋ／％ （４０Ａｒｒａｄｉａｔｅ／ｇ） ｍｏｌ／ｇ ４０Ａｒｒａｄｉａｔｅ ４０Ａｒｔｏｔａｌ ／％ 表面年龄 （±１σ，Ｍａ） 数据 来源 Ｋ０２００９ 玄武岩 邻区三池渊 基质 ０．７８ ０．２５４１×１０－１２ ３．１８ ０．１９±０．０５ 本文 Ｋ０２０４０ 玄武粗安岩 炮台山山腰 基质 ２．６２ ５．５３３４×１０－１２ ２７．０１ １．２２±０．０３ 本文 Ｋ０２０４１ 玄武粗安岩 炮台山山腰 基质 ２．７０ ５．５２９４×１０－１２ ４８．１０ １．１８±０．０２ 本文 Ｋ０２０４２ 碱流岩 炮台山山脚 基质 ４．４８ ９．９９１２×１０－１２ ６３．６４ １．２８±０．０３ 本文 Ｋ０２０４３ 粗面岩 炮台山山脚 基质 ５．１４ １０．０４７０×１０－１２ ７５．１６ １．１７±０．０２ 本文 Ｋ０２０４６ 粗面岩 炮台山顶部 基质 ４．６０ ９．５８２６×１０－１２ ８０．５８ １．２０±０．０２ 本文 Ｋ０２０７５ 玄武岩 炮台山造盾 基质 １．７９ ５．５５３×１０－１２ ７．２５７ １．７９±０．２１ 本文 Ｋ０４１２ 玄武岩 朝鲜普天 基质 １．４２ ９．３６３６×１０－１２ ３７．８４ ３．８０±０．１０ 本文 Ｋ０４２７ 玄武安山岩 朝鲜普天 基质 １．７７ １．２２４４×１０－１１ ５５．２３ ３．９８±０．１５ 本文 Ｋ０２０７６ 玄武岩 炮台山造盾 基质 １．６７ １６．７２×１０－１２ ７．３９４ ５．７６±０．６５ 本文 Ｋ０４１６ 玄武岩 朝鲜普天 基质 １．０１ ９．４７０１×１０－１２ ３６．４７ ５．４０±０．１４ 本文 Ｋ０４１７ 玄武岩 朝鲜普天 基质 １．４５ １．４９０６×１０－１１ ６１．２９ ５．９２±０．１９ 本文 Ｋ０４２４ 玄武岩 朝鲜普天 基质 １．３５ １．８２８０×１０－１１ ６．７９ ７．７９±０．９６ 本文 Ｋ０４１５ 玄武岩 朝鲜普天 基质 ０．３６ ５．１６６４×１０－１２ ３０．９８ ８．２６±０．２８ 本文 Ｋ０４２２ 玄武岩 朝鲜普天 基质 ２．０２ ７．４２５６×１０－１１ ６３．４４ ２１．０７±０．６４ 本文 Ｋ０４１９ 玄武岩 朝鲜普天 基质 １．９０ ６．９７９２×１０－１１ ９７．７５ ２１．０６±０．４０ 本文 Ｋ０４０３ 玄武岩 朝鲜吉州 基质 ０．２２ ２．６４３４×１０－１２ １６．８０ ６．９１±０．３５ 本文 Ｋ０４０４ 玄武岩 朝鲜吉州 基质 ０．６７ ９．７０８３×１０－１２ ６５．８８ ８．３４±０．２８ 本文 注：λ＝５５４３×１０－１０／ａ，λｅ＝０５８１×１０－１０／ａ，λβ＝４９６２× 表 １０ ２ －１０／ 长 ａ，４ 白 ０Ｋ 山 ／Ｋ 火 ＝ 山 １１ 区 ６７ 喷 ×１０ 发 －４ 层 ／克 序 分 总 子 结 ／克；分析者：中国地震局地质研究所年代实验室。 书 Ｔａｂｌｅ２ ＶｏｌｃａｎｉｃｅｒｕｐｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅＭｔ．Ｃｈａｎｇｂａｉｖｏｌｃａｎｏ 年龄 ／Ｍａ 天池（Ｗｅｉｅｔａｌ．，２０１３） 望天鹅（樊祺诚等，２００７；陈晓雨等，２００８） 炮台山（本文） 全新世 ０ 天池碎屑岩 千年大喷发浮岩（９３９～９４６ＡＤ） ０．００１ 气象站碱流岩（１７ｋａ） 更新世 ０．１ 白头山Ⅲ粗面岩碱流岩 （０．０２～０．２２Ｍａ） ０．３ 白头山Ⅱ粗面岩夹玄武岩 （０．２５～０．４４Ｍａ） ０．５ 白头山Ⅰ粗面岩夹玄武岩 （０．５３～０．６１Ｍａ） ０．７ 老房子小山玄武岩 （０．７５～１．１７Ｍａ） １ 小白山粗安岩粗面岩（１～１．４９Ｍａ） 白山玄武岩（１．４８～１．６６Ｍａ） 炮台山粗面岩（１．２０Ｍａ） 炮台山玄武粗安岩（１．１８～１．２０Ｍａ） 炮台山碱流岩（１．２８Ｍａ） 炮台山玄武岩（１．７９Ｍａ） 上新世 ２ 红头山期流纹岩（２．１２Ｍａ） 头道玄武岩（２．３５～５．０２Ｍａ） 望天鹅期粗安岩（２．６９～２．７Ｍａ） 普天统玄武岩（３．８～５．９２Ｍａ） ５ 长白期玄武岩（３～４．７７Ｍａ） 中新世 ８ ２２ 奶头山玄武岩 （１５．６～２０Ｍａ） 长白中新世玄武岩 （１６．４～１２．２８Ｍａ） 普天统玄武岩 （８～２１Ｍａ） ７１７
718 刘嘉麒等:长白山火山研究进展 5.Ⅰ喷发期火山气体释放总量估算及其环境效应释放形式为温泉、土壤微渗漏和喷气孔( Chiodini et 长白山火山的“千年大喷发”被普遍认为是过al,19%8)。除了喷气孔之外,温泉和土壤微渗漏在 去2000年以来全球最大规模的火山喷发之一(刘长白山火山区都有出露。根据张茂亮等(2011)的 嘉麒,1999;0 oppenheimer et al.,2003; Oppenheimer,初步研究结果,长白山火山区的湖滨温泉、聚龙温 20ll; Wei et al,2013),这次喷发产生的火山灰被证泉、锦江温泉和十八道沟温泉每年向大气圈释放的 实飘落到了1000km以外的日本( Machida et al.,CO2总量为6.9×10t,CH4总量为428.4t,与意大 1990;刘嘉麒,1999; Horn and schmincke,2000),甚利 Pantelleria island火山区温泉释放的温室气体通 至在北极格陵兰地区的冰心中也发现了长白山火量规模相当( Favara et a.,2001)。需要指出的是,该 山“千年大喷发”喷出的火山灰( Zielinski et al.,方法必须建立在火山区温泉气体化学成分和温泉 1994; Sun et al.,2014)。长白山火山碱流质喷发物气体排放通量的长期监测和系统调查的基础上。 的研究显示,“千年大喷发”向大气圈输送的 HCI Zhang等(2015)利用密闭气室法对长白山火山西坡 为109.9×10°t,HF为196.8×10 为的土壤微渗漏CO2释放通量开展了测量与估算工 14738×10°t,SO2为23.1×10°1,H2SO4气溶胶作。结果显示,该地区的土壤微渗漏CO2释放通量 为354×10°t,喷发物总量仅次于发生于1815年为194g·m2·d-,接近2010年的测量结果 的 Tambora火山喷发(郭正府等,2001) 长白山火山 长白山火山喷发期火山气体释放总量的估算口附近的植被稀疏的高海拔地区面积约为 研究有助于探讨火山喷出气体对区域乃至全球气110km2。假设这些地区的土壤微渗漏CO2释放强 候的影响。现代火山活动的观测结果( Signal,度与长白山火山西坡相当,则长白山火山区通过土 2001)表明,SO23、H2S、HCI和HF属于短期气候效应壤微渗漏向大气圈释放的CO2总量约为7.79 气体(主要产生于中酸性火山喷发),而CO2属于长103u/a(郭正府等,2014)。 期气候效应气体。由于中酸性火山喷发的喷发柱 长时间尺度、连续的休眠火山区土壤微渗漏 可达平流层,大量气体进入平流层后会迅速地扩散CO2释放通量测量与火山气体地球化学成分及其成 至半球甚至全球范围。所以,中酸性喷发对气候、因研究是开展火山监测与预测的理想方法( Baubron 环境影响的空间范围较大(郭正府等,2003)。矿物eal.,1991; Sparks,2003; Granieri et al,2006; Lewicki 原生岩浆包裹体研究表明( Guo et a.,2006),长白山etal.,2007)。长白山火山及其周边地区人口稠密, 火山“千年大喷发”喷出的气体以卤化物为主,但旋周边有水电站、水库、工厂等重要基础设施。一旦 回晩期硫化物气体有增加趋势。以卤化物气体为火山在未来喷发,其造成的经济损失和灾难性后果 主的喷发对周围环境的影响主要体现在两个方面:将不堪设想。因此,开展长白山火山的实时监测研 ①HF气体吸附在火山灰表面,形成迅速扩散的剧究迫在眉睫。以往研究(上官志冠和孙明良,1996 毒HF气体云,沉降后污染植被和水质;②火山H 上官志冠等,1997; Hahm et al.,2008; Xu et al.,2012 气体破坏大气圈臭氧层,甚至形成“臭氧层空洞 Zhang et al.,2015)表明,长白山火山区温泉和土壤 严重破坏环境和生态平衡。火山硫化物气体导致微渗漏释放的温室气体(以CO2为主)的通量、同位 地表温度下降,形成酸雨和剧毒的火山灰云幕,危素组成与深部岩浆囊活动性之间具有密切的关系。 害动物生存、水循环、植被以及土地肥力。作为主因此,通过对长白山火山温室气体释放通量的连续 要的温室气体,CO2的气候环境效应是导致地表温测量,并结合火山气体地球化学与成因研究,可以 度升高以及全球变暖。如果火山喷出的CO2总量有效地示踪火山区地下岩浆囊的活动状态,探讨火 较大时,也会在短时间内造成区域乃至全球尺度上山气体地球化学特征与地下岩浆囊活动的关系,为 的气候环境变化。例如,地质历史时期,大火成岩监测和预测长白山火山未来喷发提供火山气体资 省的形成多与全球变暖、海洋缺氧以及生物集群灭料。此外,大气圈温室气体含量是地质历史长期演 绝事件同时发生,表明大规模火山喷发产生的CO2变的结果,包括了自然因素(例如,火山作用、温泉 等火山气体与气候环境变化之间可能存在着重要土壤微渗漏等)和人类活动的贡献(郭正府等 的因果联系( Signal,2001; Sobolev et al.2011)。 2001)。长时间尺度、连续地测量土壤微渗漏CO 5.2休眠期火山气体释放总量估算及其意义 释放通量有助于准确地估算长白山火山休眠期的 休眠期火山活动释放的火山气体以CO2为主,温室气体释放通量与规模,对于深入理解现今地球
刘嘉麒等：长白山火山研究进展 ５１ 喷发期火山气体释放总量估算及其环境效应 长白山火山的“千年大喷发”被普遍认为是过 去 ２０００年以来全球最大规模的火山喷发之一（刘 嘉麒，１９９９；Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒｅｔａｌ．，２００３；Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒ， ２０１１；Ｗｅｉｅｔａｌ．，２０１３），这次喷发产生的火山灰被证 实飘落到 了 １０００ｋｍ 以 外 的 日 本 （Ｍａｃｈｉｄａｅｔａｌ．， １９９０；刘嘉麒，１９９９；ＨｏｒｎａｎｄＳｃｈｍｉｎｃｋｅ，２０００），甚 至在北极格陵兰地区的冰心中也发现了长白山火 山“千 年 大 喷 发”喷 出 的 火 山 灰 （Ｚｉｅｌｉｎｓｋｉｅｔａｌ．， １９９４；Ｓｕｎｅｔａｌ．，２０１４）。长白山火山碱流质喷发物 的研究显示，“千年大喷发”向大气圈输送的 ＨＣｌ 为 １０９９ × １０６ ｔ，ＨＦ为 １９６８ × １０６ ｔ，Ｈ２Ｏ 为 １４７７８×１０６ ｔ，ＳＯ２ 为 ２３１×１０６ ｔ，Ｈ２ＳＯ４ 气溶胶 为 ３５４×１０６ ｔ，喷发物总量仅次于发生于 １８１５年 的 Ｔａｍｂｏｒａ火山喷发（郭正府等，２００１）。 长白山火山喷发期火山气体释放总量的估算 研究有助于探讨火山喷出气体对区域乃至全球气 候的 影 响。现 代 火 山 活 动 的 观 测 结 果 （Ｗｉｇｎａｌｌ， ２００１）表明，ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ和 ＨＦ属于短期气候效应 气体（主要产生于中酸性火山喷发），而 ＣＯ２ 属于长 期气候效应气体。由于中酸性火山喷发的喷发柱 可达平流层，大量气体进入平流层后会迅速地扩散 至半球甚至全球范围。所以，中酸性喷发对气候、 环境影响的空间范围较大（郭正府等，２００３）。矿物 原生岩浆包裹体研究表明（Ｇｕｏｅｔａｌ．，２００６），长白山 火山“千年大喷发”喷出的气体以卤化物为主，但旋 回晚期硫化物气体有增加趋势。以卤化物气体为 主的喷发对周围环境的影响主要体现在两个方面： ①ＨＦ气体吸附在火山灰表面，形成迅速扩散的剧 毒 ＨＦ气体云，沉降后污染植被和水质；②火山 ＨＣｌ 气体破坏大气圈臭氧层，甚至形成“臭氧层空洞”， 严重破坏环境和生态平衡。火山硫化物气体导致 地表温度下降，形成酸雨和剧毒的火山灰云幕，危 害动物生存、水循环、植被以及土地肥力。作为主 要的温室气体，ＣＯ２ 的气候环境效应是导致地表温 度升高以及全球变暖。如果火山喷出的 ＣＯ２ 总量 较大时，也会在短时间内造成区域乃至全球尺度上 的气候环境变化。例如，地质历史时期，大火成岩 省的形成多与全球变暖、海洋缺氧以及生物集群灭 绝事件同时发生，表明大规模火山喷发产生的 ＣＯ２ 等火山气体与气候环境变化之间可能存在着重要 的因果联系（Ｗｉｇｎａｌｌ，２００１；Ｓｏｂｏｌｅｖｅｔａｌ．，２０１１）。 ５２ 休眠期火山气体释放总量估算及其意义 休眠期火山活动释放的火山气体以 ＣＯ２ 为主， 释放形式为温泉、土壤微渗漏和喷气孔（Ｃｈｉｏｄｉｎｉｅｔ ａｌ．，１９９８）。除了喷气孔之外，温泉和土壤微渗漏在 长白山火山区都有出露。根据张茂亮等（２０１１）的 初步研究结果，长白山火山区的湖滨温泉、聚龙温 泉、锦江温泉和十八道沟温泉每年向大气圈释放的 ＣＯ２ 总量为 ６９×１０４ ｔ，ＣＨ４ 总量为 ４２８４ｔ，与意大 利 ＰａｎｔｅｌｌｅｒｉａＩｓｌａｎｄ火山区温泉释放的温室气体通 量规模相当（Ｆａｖａｒａｅｔａｌ．，２００１）。需要指出的是，该 方法必须建立在火山区温泉气体化学成分和温泉 气体排放 通 量 的 长 期 监 测 和 系 统 调 查 的 基 础 上。 Ｚｈａｎｇ等（２０１５）利用密闭气室法对长白山火山西坡 的土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放通量开展了测量与估算工 作。结果显示，该地区的土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放通量 为 １９４ ｇ·ｍ－２ ·ｄ－１ ，接 近 ２０１０年 的 测 量 结 果 （２２８ｇ·ｍ－２ ·ｄ－１ ；Ｗｅｎｅｔａｌ．，２０１１）。长白山火山 口 附 近 的 植 被 稀 疏 的 高 海 拔 地 区 面 积 约 为 １１０ｋｍ２ 。假设这些地区的土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放强 度与长白山火山西坡相当，则长白山火山区通过土 壤微渗 漏 向 大 气 圈 释 放 的 ＣＯ２ 总 量 约 为 ７７９× １０５ ｔ／ａ（郭正府等，２０１４）。 长时间 尺 度、连 续 的 休 眠 火 山 区 土 壤 微 渗 漏 ＣＯ２ 释放通量测量与火山气体地球化学成分及其成 因研究是开展火山监测与预测的理想方法（Ｂａｕｂｒｏｎ ｅｔａｌ．，１９９１；Ｓｐａｒｋｓ，２００３；Ｇｒａｎｉｅｒｉｅｔａｌ．，２００６；Ｌｅｗｉｃｋｉ ｅｔａｌ．，２００７）。长白山火山及其周边地区人口稠密， 周边有水电站、水库、工厂等重要基础设施。一旦 火山在未来喷发，其造成的经济损失和灾难性后果 将不堪设想。因此，开展长白山火山的实时监测研 究迫在眉睫。以往研究（上官志冠和孙明良，１９９６； 上官志冠等，１９９７；Ｈａｈｍｅｔａｌ．，２００８；Ｘｕｅｔａｌ．，２０１２； Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）表明，长白山火山区温泉和土壤 微渗漏释放的温室气体（以 ＣＯ２ 为主）的通量、同位 素组成与深部岩浆囊活动性之间具有密切的关系。 因此，通过对长白山火山温室气体释放通量的连续 测量，并结合火山气体地球化学与成因研究，可以 有效地示踪火山区地下岩浆囊的活动状态，探讨火 山气体地球化学特征与地下岩浆囊活动的关系，为 监测和预测长白山火山未来喷发提供火山气体资 料。此外，大气圈温室气体含量是地质历史长期演 变的结果，包括了自然因素（例如，火山作用、温泉、 土壤 微 渗 漏 等）和 人 类 活 动 的 贡 献 （郭 正 府 等， ２００１）。长时间尺度、连续地测量土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放通量有助于准确地估算长白山火山休眠期的 温室气体释放通量与规模，对于深入理解现今地球 ７１８
物岩石地球化学通报2015,34(4) 脱气机制、全球深部碳循环和大气圈温室气体含量岗和长白山火山活动的时间跨度则相对更大(图8 演变具有重要的科学价值。 樊祺诚等,2006,2007)。火山活动迁移的这种规律 6长白山火山形成机制和潜在危害 性可能代表了大陆裂谷系统的演化趋势,因此我们 认为沿长白山的大量第四纪火山岩和一些断陷盆 6.1长白山及整个东北亚火山活动的形成机制 地的发育很有可能是形成新裂谷的序幕,暗示一个 东北亚大陆边缘的火山线性地且平行地分布新的断裂活动的开始。而且长白山地区的双峰式 在大兴安岭、松辽盆地、郯庐一伊通断裂、蓬莱一密火山岩也暗示了长白山具有断裂活动的特征。因 山断裂、长白山地区以及日本岛弧,长白山天池火此从这一角度来分析,长白山是具有潜在喷发危险 山就地处与东亚大裂谷的东部边缘( Zhang et al.,的火山(刘嘉麒,1987,1988,1999) 2003a,2003b)。根据东北亚地区的北东向岩浆-火 山活动和断裂体系,以及天池火山本身具有的双峰 式火山作用,以及钠闪碱流岩的大地构造属性,这 松辽裂谷 说明他们形成于伸展作用构造体系,因此,一种认 为可能与东北亚大陆裂谷作用有紧密联系( Zhang et al,2010);根据地球物理成像以及长白山周边的深 源地震群分布,同时地球化学数据显示的深源物质1 和俯冲板块物质的加入现象,这些都指示着可能与 西太平洋板片俯冲有关( Zou et al..,2008,2010),还 有人提出“大陆根”模式来解释中国东部新生代玄13 武岩成因,这种模式也可以说明长白山天池火山独 特的酸性岩浆喷发作用。另外,由于长白山天池火 山位于华北克拉通东北缘,也有学者认为华北克拉 通拆沉可能导致了区域内的板内火山作用( Chen et30 al.,2007),然而这些拆沉及岩石圈减薄是发生在中40 生代,主要集中于东部地区,东北地区难以确定, 此对于揭示长白山等地火山作用有所局限。 中国东部是以松辽一冀中裂谷为主体,结合郯 庐一伊通裂谷、蓬莱一密山裂谷以及邻近的断陷盆 地,组成复杂的东亚大陆裂谷系( Zhang et al., 2003a,2003b,2010),并且东亚大陆裂谷系的形成与90 发展是由中央的松辽裂谷向两侧,特别是向东侧逐 图8中国东北、日本海、日本岛新生代火山活动的 渐展开的。根据松辽盆地、郯庐一伊通断裂、蓬 时间空间分布特征(修改自 Liu et al.,2001) 莱一密山断裂、长白山的新生代火山岩年代学数据 Fig 8 A comprehensive temporal and spatial distribution of Cenozoic volcanisms from Northeast China, Japan Se ( Liu et al.,201),我们可以总结出东亚大陆裂谷系 的新生代火山活动的规律性(图8)。显而易见,强 d Japan Are( modified from Liu et aL., 2001) 烈火山活动的时空分布特征显示出明显的带状分 关于日本海和岛弧的成因,越来越多的证据支 布,从松辽裂谷向太平洋方向,火山幕呈递迭式发持是在弧后扩张作用下,强大的拉张作用使得大陆 展,由西向东各裂谷火山活动开始时间一个比一个边缘解体形成的( Liu et al,2001; Nohda,2009)。具 早,结束时间则依次变晚(图8)。具体来说,新第三体来讲,西太平洋板片向西俯冲至大陆边缘下方 纪以来松辽一冀中裂谷开始收缩闭合强烈的火山使岩石圈产生引张力,导致大陆边缘破裂解体,并 活动逐渐平息(图8);郯庐一伊通断裂的强烈火山且随着俯冲进一步发展,破裂解体加剧,分离陆块 活动主要发生在14-13Ma和11~7Ma,蓬莱 之间的距离加大,随后俯冲带位置也相应地朝大洋 密山断裂的火山活动主要集中在16-13Ma和1方向退却,在大陆边缘分离和西太平洋板块退却的 7Ma发生(图8;刘嘉麒,199g; iu et al,2001);龙过程中,日本海和日本岛弧逐渐形成(刘嘉麒
矿物岩石地球化学通报 ２０１５，３４（４） 脱气机制、全球深部碳循环和大气圈温室气体含量 演变具有重要的科学价值。 ６ 长白山火山形成机制和潜在危害 ６１ 长白山及整个东北亚火山活动的形成机制 东北亚大陆边缘的火山线性地且平行地分布 在大兴安岭、松辽盆地、郯庐—伊通断裂、蓬莱—密 山断裂、长白山地区以及日本岛弧，长白山天池火 山就地处与东亚大裂谷的东部边缘 （Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．， ２００３ａ，２００３ｂ）。根据东北亚地区的北东向岩浆火 山活动和断裂体系，以及天池火山本身具有的双峰 式火山作用，以及钠闪碱流岩的大地构造属性，这 说明他们形成于伸展作用构造体系，因此，一种认 为可能与东北亚大陆裂谷作用有紧密联系（Ｚｈａｎｇｅｔ ａｌ．，２０１０）；根据地球物理成像以及长白山周边的深 源地震群分布，同时地球化学数据显示的深源物质 和俯冲板块物质的加入现象，这些都指示着可能与 西太平洋板片俯冲有关（Ｚｏｕｅｔａｌ．，２００８，２０１０），还 有人提出“大陆根”模式来解释中国东部新生代玄 武岩成因，这种模式也可以说明长白山天池火山独 特的酸性岩浆喷发作用。另外，由于长白山天池火 山位于华北克拉通东北缘，也有学者认为华北克拉 通拆沉可能导致了区域内的板内火山作用（Ｃｈｅｎｅｔ ａｌ．，２００７），然而这些拆沉及岩石圈减薄是发生在中 生代，主要集中于东部地区，东北地区难以确定，因 此对于揭示长白山等地火山作用有所局限。 中国东部是以松辽—冀中裂谷为主体，结合郯 庐—伊通裂谷、蓬莱—密山裂谷以及邻近的断陷盆 地，组 成 复 杂 的 东 亚 大 陆 裂 谷 系 （Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．， ２００３ａ，２００３ｂ，２０１０），并且东亚大陆裂谷系的形成与 发展是由中央的松辽裂谷向两侧，特别是向东侧逐 渐展 开 的。 根 据 松 辽 盆 地、郯 庐—伊 通 断 裂、蓬 莱—密山断裂、长白山的新生代火山岩年代学数据 （Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００１），我们可以总结出东亚大陆裂谷系 的新生代火山活动的规律性（图 ８）。显而易见，强 烈火山活动的时空分布特征显示出明显的带状分 布，从松辽裂谷向太平洋方向，火山幕呈递迭式发 展，由西向东各裂谷火山活动开始时间一个比一个 早，结束时间则依次变晚（图 ８）。具体来说，新第三 纪以来松辽—冀中裂谷开始收缩闭合，强烈的火山 活动逐渐平息（图 ８）；郯庐—伊通断裂的强烈火山 活动主要发生在 １４～１３Ｍａ和 １１～７Ｍａ，蓬莱— 密山断裂的火山活动主要集中在 １６～１３Ｍａ和 １１ ～７Ｍａ发生（图８；刘嘉麒，１９９９；Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００１）；龙 岗和长白山火山活动的时间跨度则相对更大（图 ８； 樊祺诚等，２００６，２００７）。火山活动迁移的这种规律 性可能代表了大陆裂谷系统的演化趋势，因此我们 认为沿长白山的大量第四纪火山岩和一些断陷盆 地的发育很有可能是形成新裂谷的序幕，暗示一个 新的断裂活动的开始。而且长白山地区的双峰式 火山岩也暗示了长白山具有断裂活动的特征。因 此从这一角度来分析，长白山是具有潜在喷发危险 的火山（刘嘉麒，１９８７，１９８８，１９９９）。 图 ８ 中国东北、日本海、日本岛新生代火山活动的 时间空间分布特征（修改自 Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００１） Ｆｉｇ．８ Ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｅｍｐｏｒａｌａｎｄｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆＣｅｎｏｚｏｉｃｖｏｌｃａｎｉｓｍｓｆｒｏｍＮｏｒｔｈｅａｓｔＣｈｉｎａ，ＪａｐａｎＳｅａ ａｎｄＪａｐａｎＡｒｃ（ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍＬｉｕｅｔａｌ．，２００１） 关于日本海和岛弧的成因，越来越多的证据支 持是在弧后扩张作用下，强大的拉张作用使得大陆 边缘解体形成的（Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００１；Ｎｏｈｄａ，２００９）。具 体来讲，西太平洋板片向西俯冲至大陆边缘下方， 使岩石圈产生引张力，导致大陆边缘破裂解体，并 且随着俯冲进一步发展，破裂解体加剧，分离陆块 之间的距离加大，随后俯冲带位置也相应地朝大洋 方向退却，在大陆边缘分离和西太平洋板块退却的 过程 中，日 本 海 和 日 本 岛 弧 逐 渐 形 成 （刘 嘉 麒， ７１９
