玄武巖爆破新技術(shù)吉林龍崗第四紀火山活動分期

玄武巖爆破新技術(shù)吉林龍崗第四紀火山活動分期

1火山巖漿起源和演化許多研究人員在龍山腳下的火山巖地質(zhì)、年表和火山碎屑堆積方面進行了研究（歐翔熙，1984；羅照華，1984；劉家齊，1987；劉翔等人，1987年和1989年）。劉若新等人還評估了龍山地區(qū)的火災(zāi)。近些年我們對火山區(qū)內(nèi)的火山渣錐、火山碎屑席、龍灣和熔巖流地質(zhì)調(diào)查的同時,開展了火山巖巖石學(xué)與地球化學(xué)方面的初步研究,發(fā)現(xiàn)龍崗火山巖屬于化學(xué)成分比較單一的粗面玄武巖,與天池火山、望天鵝火山造盾階段粗面玄武巖相似,它們可能都來自在地幔條件下經(jīng)歷了高壓分異的巖漿,屬于廣義長白山火山巖漿系統(tǒng)的不同發(fā)展階段和巖漿演化的產(chǎn)物(隋建立等,1999;魏海泉等,1999;Fanetal.,2000;樊祺誠等,2001)。長白山火山區(qū)是我國規(guī)模最大的第四紀火山區(qū),也是最具潛在噴發(fā)危險的近代活動火山區(qū)。本文旨在火山地質(zhì)和巖漿化學(xué)研究基礎(chǔ)上,對龍崗一百余座火山渣錐、龍灣、和廣布的熔巖流系統(tǒng)采樣和年代學(xué)研究,進行龍崗第四紀火山活動分期。2崗東南角火山巖不整合覆蓋區(qū)域長白山西麓的龍崗火山位于北北東向的龍崗山脈中段,地處華北克拉通東北邊緣,構(gòu)造上位于NE向的敦化-密山斷裂與圖們江-鴨綠江斷裂之間。第四紀火山主要分布在龍崗山脈以東到頭道松花江之間東西長約70km、南北寬約20km的盆地內(nèi),火山巖不整合覆蓋在各期地層之上,分布面積約1700km2(圖1)。第三紀火山分布于盆地外圍的Ⅳ、Ⅴ級臺地之上,如龍崗火山東北側(cè)的四方頂子附近,分布面積不廣,地貌上呈桌狀熔巖臺地,出露標高約1000m左右,最大厚度大于600m。龍崗第四紀火山活動造就了龍崗火山現(xiàn)代地貌和豐富多彩的火山景觀,包括熔巖臺地、河谷熔巖、火山渣錐、火山碎屑席和開發(fā)成為旅游景點的低平火山口-龍灣等典型的火山地質(zhì)體。2.1小席山期玄武巖缺失造成的冰期地震龍崗第四紀火山,主要分布在龍崗山脈以東到頭道松花江之間的盆地內(nèi),西起輝南縣三道河畔,東達靖宇縣頭道松花江邊,北至靖宇縣景山鎮(zhèn),南抵渾江市三岔子鄉(xiāng),早更新世小椅山期溢流式火山噴發(fā)形成相對平緩的波狀熔巖臺地,分布面積約有1000km2,海拔高度在330～660m之間。熔巖臺地南東高,北西低,據(jù)鉆孔資料熔巖厚度在幾米到上百米之間變化。小椅山期溢流式玄武巖不整合覆蓋在振興堡冰期冰水沉積砂礫層之上,時代為早更新世(吉林省地質(zhì)局,1979)。在振興堡、鋪板石、靖宇-白山公路(立新村)和靖宇-花園公路(下巴厘村)等都有極好的小椅山期玄武巖剖面出露,并見有發(fā)育很好的玄武巖柱狀節(jié)理。對小椅山期玄武巖之下礫石層剖面中孢粉研究結(jié)果,代表了一次冰期氣候,證實了振興堡冰期的存在,時代上可能相當于我國的鄱陽冰期和秦嶺地區(qū)的洛南冰期(謝宇平等,1993)。小椅山期火山巖覆蓋在上述冰期沉積物之上,可能代表了間冰期火山噴發(fā)的產(chǎn)物?？邕^松花江往東,漫江、廣坪一帶玄武巖也都不整合覆蓋在砂礫層之上,表明早更新世冰期以后東北境內(nèi)有一次較大規(guī)模的間冰期火山噴發(fā)活動。2.2大開放空間的形成構(gòu)成龍崗火山現(xiàn)代地貌的一百余座爆破式噴發(fā)成因的火山口(錐)如雨后春筍在小椅山期熔巖臺地上星羅棋布,構(gòu)成蔚為壯觀的高密度分布的龍崗火山群?；鹕皆F相對高度為幾十米到百余米,主要由玄武質(zhì)火山渣、火山角礫、火山彈和熔巖餅等組成。西部的大椅子山火山渣錐海拔約600m,相對高度約150m,主要由玄武質(zhì)火山渣、火山彈和各種巖屑組成,以及地幔橄欖巖捕虜體。大椅子山火山溢出的巖流,形成三個時期的扇形臺階,導(dǎo)致三道河斷流。在輝南縣金川鄉(xiāng)東南的金龍頂子火山高聳于龍灣環(huán)繞的地區(qū),成為這一帶最高的一座近代火山,其火口垣東北側(cè)錐體海拔999.4m,錐體西南側(cè)被后期熔巖沖出西南朝向的豁口,熔巖流向西流入大龍灣。金龍頂子火山座落在早期噴發(fā)的灰黑色熔巖之上,錐體主要由火山渣、火山彈、火山礫、各種麻花狀或繩狀熔巖,以及超鎂鐵質(zhì)捕虜體堆積組成。2.3地震地質(zhì)及成礦以蓄水龍灣為代表的低平火山口(maar)成為龍崗火山群的一大景觀,如大龍灣、二龍灣、小龍灣、三角龍灣、東龍灣、南龍灣、龍泉龍灣、四海龍灣等八個龍灣,還有三角龍灣附近的旱龍灣及西大甸子旱龍灣為不積水的旱龍灣,均為射氣巖漿噴發(fā)形成的低平火山口,主要集中于龍崗火山的西區(qū)。龍灣的水面之上一般由火山碎屑和基浪堆積構(gòu)成低矮的火口垣,火口垣基浪堆積物似沙丘狀構(gòu)造,發(fā)育了非常典型的射氣巖漿成因的波狀層理、斜層理等(劉祥等,1987)。在大龍灣、東龍灣的水面附近都見到熔巖和熔接凝灰?guī)r或熔接角礫巖,在東龍灣的火口垣北側(cè)水面之上還發(fā)育了多層熔巖,四海龍灣的基浪堆積之上又被晚期熔巖流覆蓋,龍泉龍灣火口垣的基浪堆積中夾有厚層火山渣層(約3m厚),說明龍灣不是一次噴發(fā)形成,而是由巖漿噴發(fā)與射氣巖漿噴發(fā)交替形成的多期火山噴發(fā)活動的產(chǎn)物。2.4河谷火山巖關(guān)注熔巖流河谷熔巖是龍崗火山另一類廣泛分布的溢流式火山活動產(chǎn)物。龍崗山脈是區(qū)域分水嶺,山脈以西的河流匯入三通河,以東河流匯入頭道松花江。河谷熔巖就分布在分水嶺兩側(cè)的河谷和洼地中,并且沿著河谷蜿蜒而下,直接覆蓋在河床上,因此稱為河谷熔巖。河谷熔巖通常很長,可以達到十幾公里,但是寬度相對較窄。河谷熔巖具有巨大的落差和很高的長/寬比,與熔巖臺地的平面展布特征有明顯的區(qū)別。河谷熔巖的分布范圍遠遠超出了熔巖臺地(小椅山期)的范圍,延伸到龍崗山脈以西。在龍崗山脈以西,河谷熔巖的下伏地層是陸殼基底(各期老地層),山脈以東,河谷熔巖覆蓋在小椅山期熔巖之上。河谷熔巖具有明顯的多期性,晚期的熔巖流覆蓋在早期熔巖流之上,在熔巖流前鋒形成特征的階梯狀產(chǎn)狀。河谷熔巖是從火山渣錐和龍灣溢出,在溢出口也可以看到多期熔巖噴發(fā)的特征,熔巖流鋒面可以見到大量的塊狀熔巖。2.5金龍頂子火山渣層金龍頂子火山錐之東紅旗林場至四海一帶為分布面積最大的一片火山碎屑席,稱為四?；鹕皆鼘?分布面積約有100km2,主要由黑色的火山渣組成,火山渣粒徑一般幾mm～2cm,分選好,是典型的空降堆積?；鹕皆鼘又泻倭拷堑[狀火山彈、火山礫和地幔橄欖巖捕虜體,大小與火山渣相當。由于在碎屑席內(nèi)及其附近有眾多火山渣錐,故吉林省地質(zhì)局(1979)認為四?；鹕皆鼘邮嵌嘀行膰姲l(fā)的產(chǎn)物。劉祥等(1997)和劉若新等(1997)根據(jù)火山渣層的粒度和厚度分布特征,提出四?；鹕皆鼘油耆怯山瘕堩斪踊鹕絿姲l(fā)形成的,并根據(jù)火山碎屑席下的炭化木和泥炭層年齡確定其噴發(fā)時間為1500～1600a.BP(劉祥等,1997;劉若新等,1997),遺憾的是尚無金龍頂子火山巖的直接年齡證據(jù)。3火山巖年齡代學(xué)研究本文在上述龍崗火山地質(zhì)研究基礎(chǔ)上,采集具代表性的熔巖臺地、火山渣錐、龍灣和河谷熔巖等不同火山地質(zhì)體樣品,開展火山巖K-Ar年代學(xué)研究。3.1u3000焦點自從發(fā)現(xiàn)并報導(dǎo)礦物中存在有過剩氬(Aldrichetal.,1948),前人發(fā)現(xiàn)在大洋和大陸火山巖中的橄欖石斑晶和火山玻璃中可能含有過剩氬,并認為過剩氬的存在會對K-Ar真實年齡產(chǎn)生影響,主要導(dǎo)致樣品的實際年齡偏老。我國學(xué)者在對新生代火山巖的K-Ar年代學(xué)研究中對過剩氬問題進行了大量的理論探討和應(yīng)用研究,使我國年輕火山巖的年代學(xué)研究取得重要進展(陳文寄等,1991,1999;穆治國等,1998;李大明等,1999)。對年輕火山巖樣品,在進行K-Ar測年之前,必須利用常規(guī)的磁選或重液分選法,除去樣品中橄欖石、輝石或斜長石等斑晶,才能保證測年的準確性。年輕火山巖K-Ar年齡測試的關(guān)鍵是避免外來因素對年齡結(jié)果的干擾和取得盡可能高的放射成因氬含量,即考慮過剩Ar的問題和樣品風(fēng)化引起的Ar丟失,以及降低大氣氬含量。本文挑選了32個新鮮的熔巖樣品,由于火山渣中的氣泡成分復(fù)雜,也會干擾放射性Ar的準確測定,因此測試樣品采用熔巖流、熔巖餅和火山彈等不含或少含斑晶的致密塊狀樣品。經(jīng)薄片鑒定后,樣品粉碎成40～60目(粒徑約0.45～0.3mm),用磁選法除去橄欖石斑晶。利用磁選對樣品處理后,樣品中主要斑晶含量<1%,保證測得的年代數(shù)據(jù)接近于真實年齡。由于所測對象時代較年輕,為了盡量去除大氣Ar的影響,提高放射成因Ar的相對含量,實驗前作了250℃低溫烘烤去氣,并且選擇8對樣品進行平行樣分析。K-Ar法的測量分為兩部分,鉀的測量和氬的測量。K的測量使用原子吸收分光光度計,Ar的測量采用同位素稀釋法,在MM-1200質(zhì)譜計與之連接的金屬萃取系統(tǒng)上完成。質(zhì)譜儀的40Ar本底值為n×10-15mol,全系統(tǒng)熱本底為n×10-14mol,樣品用量為300mg左右,稀釋劑用量為n×10-13mol。在靜態(tài)下記錄40Ar、38Ar、36Ar三個同位素的量,經(jīng)過線性回歸,計算出其初始值,并根據(jù)K-Ar年齡公式計算出樣品的表面年齡。3.2測試誤差的范圍火山巖K-Ar年齡(包括2個14C年齡)列于表1。從表中可以看出,8對平行樣測試結(jié)果,其中6對樣品(表面年齡8～58萬年)的誤差范圍在1～2萬年,2對樣品(表面年齡44～64萬年)的誤差范圍4～5萬年,說明測試精度高,年齡結(jié)果是可信的。4大?山期火山活動時代吉林地質(zhì)局(1979)和劉嘉麒(1987)根據(jù)當時的研究,都曾對龍崗火山進行過分期。龍崗火山最早一期火山巖稱為船底山玄武巖,時代屬于第三紀上新世,主要分布于龍崗火山區(qū)的四方頂子等外圍,呈桌狀孤山分布,標高約為1000m左右,座落在Ⅴ級階地以上。劉嘉麒(1987)測得四方頂子玄武巖的K-Ar年齡27.3±1.03Ma,時代為漸新世,并定名四方頂子期。龍崗第四紀火山主要分布在龍崗山脈以東到頭道松花江之間的盆地內(nèi),以往主要根據(jù)地層對比劃分為早更新世小椅子山期、中更新世大椅子山期和全新世金龍頂子期(吉林省地質(zhì)局,1979)。如前述,小椅山期玄武巖不整合覆蓋在振興堡冰水沉積砂礫層之上,劉嘉麒(1987)提供的小椅山期玄武巖K-Ar年齡為1.49±0.50Ma,形成時代為早更新世。吉林地質(zhì)局(1979)和劉祥等(1989)根據(jù)小椅山期玄武巖和大椅子山期火山渣之間有較厚的粘土層和黃土層,將大椅子山期時代定為中更新世,龍灣也劃為該期火山活動的產(chǎn)物(吉林省地質(zhì)局,1979;劉祥等,1989)。而據(jù)劉嘉麒(1987)和劉嘉麒等(2000)對龍灣的火山巖K-Ar年齡測定結(jié)果(1～1.30Ma)則屬早更新世。由于龍崗火山活動持續(xù)時間長、噴發(fā)類型多(兼有溢流式和爆破式、射氣巖漿噴發(fā)與巖漿噴發(fā))、規(guī)模大,在以往的研究中尚缺乏系統(tǒng)的年代學(xué)研究,特別是缺乏100多座火山渣錐和龍灣的年代學(xué)研究,因此對各期火山活動缺乏年代約束。本文應(yīng)用火山學(xué)研究方法,結(jié)合K-Ar法和14C法定年結(jié)果(表1),重新將龍崗第四紀火山活動分為3期并給出年齡范圍如下:(1)小椅山期(早更新世:2.15～0.75Ma)(2)龍崗期(中-晚更新世:0.68～0.05Ma)(3)金龍頂子期(全新世:1600～1500a.BP)在這三期火山活動中,小椅山期火山活動以裂隙式溢流為特征,幾乎持續(xù)了整個早更新世,形成廣闊的熔巖臺地。以往劃分的大椅子山期時代僅限于中更新世,由于缺乏足夠的火山巖年齡數(shù)據(jù),不能囊括100多座火山渣錐的形成時代,所以本文不再沿用大椅子山期而新起名龍崗期。龍崗期火山活動以爆破式噴發(fā)為特征,持續(xù)了整個中、晚更新世,造就了100多座高密度的火山渣錐和低平火山口(龍灣),這一時期是形成現(xiàn)代龍崗火山地貌最重要的時期,故命名為龍崗期。金龍頂子期年齡根據(jù)四海火山渣層之下炭化木和泥炭的14C年齡,噴發(fā)活動約在1500～1600a.BP。5與金龍頂子火山的對比本文在火山地質(zhì)和以往研究工作基礎(chǔ)上,結(jié)合火山巖K-Ar年齡和炭化木14C年齡,將龍崗第四紀火山活動分為小椅山期、龍崗期和金龍頂子期三期。龍崗火山100多座火山渣錐中可能還有類似金龍頂