长白山火山碎屑喷出物和熔岩地球化学特征及其对构造环境的指示意义

陈海潮，王璞珺 ，衣健，武成智，王寒非，孙松，王文华

1.东北亚生物演化与环境教育部重点实验室(吉林大学)，长春 130061；2.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；3.吉林省长白山天池火山监测站，吉林 安图 133600；4.南京大学 计算机科学与技术系，南京 210023

0 引言

长白山火山是一座具有潜在喷发危险的活火山，地质历史时期活动频繁。根据已有的火山监测数据，长白山未来有再次发生大规模喷发的危险性[1]。目前，长白山已经进入岩浆演化晚期，未来喷发是仍然以酸性为主，还是重新开始基性喷发旋回，尚需要对长白山火山岩的岩浆来源和演化进行深入研究。

针对长白山火山岩的成因，前人已有大量的研究。长白山火山岩一部分源于地幔的钾质粗面玄武岩浆，不经地壳岩浆房直接喷出地表；另一部分源于钾质粗面玄武岩浆注入地壳岩浆房发生岩浆分离结晶作用和混合作用[2-8]。对火山岩成分多样性的成因仍存在争议，地幔交代和源区不均一性[9]、俯冲板片的流体和沉积物的加入[9-10]都曾被提出来解释长白山火山岩成分的差异。前人对长白山地区火山岩的岩石地球化学研究大多以熔岩为研究对象，对火山碎屑物的研究较少。本文在火山碎屑喷出物野外地质考察基础上，补充了火山细碎屑(火山灰)的地球化学分析数据，结合对熔岩的地球化学分析结果，对长白山火山碎屑喷出物、熔岩的源区性质及其构造背景进行了研究。

1 地质背景

长白山位于吉林省东部中朝边境[11]，构造位置上属于欧亚大陆东缘[10](图1)。长白山形成于中新世，其演化经历了造盾阶段玄武岩喷发(5～1 Ma)、造锥阶段粗面岩喷发(1.7 ka～1 Ma)和破火山口阶段碱流岩和浮岩喷发(4 ka至今)[2,13]。距今约一千年前，长白山发生了一次被认为是两千年来全球最大火山喷发事件之一的千年大喷发。产生的火山碎屑喷出物总体积估计为172 km3[2,14]。

2 样品分析和样品

2.1 分析方法

火山碎屑物和熔岩主量、微量和稀土元素分析测试工作在吉林大学测试科学实验中心完成。主量元素测定采用X-射线荧光光谱法(XRF)，准确度优于10%；微量元素利用等离子光谱质谱(ICP-MS)分析方法测定，精度优于10%。

2.2 样品情况

采集的样品主要来自长白山天池火山口和火山锥体附近，样品包括火山灰、浮岩、碱流岩和黑曜岩(表1)。其中火山灰为细微火山碎屑喷出物，野外产出形态呈粉末状，未发生固结。

浮岩(XHS--2)灰白色，气孔构造，气孔占整体面积75%±，斑状结构，由斑晶和基质组成。斑晶主要矿物成分为碱性长石和角闪石(图2e、f)。碱性长石呈自形至半自形，长条状，裂缝发育，粒径1～2.5 mm，含量8%±；角闪石呈半自形至他形，粒度0.1～0.5 mm，含量2%±；基质为火山玻璃质，含量15%±。

火山灰(YCX2--2)主要由岩屑、晶屑和玻屑组成(图2g、h)。岩屑为粗面岩，含量50%±；晶屑为碱性长石和辉石；碱性长石自形至半自形，长条状，可见卡式双晶，粒径0.1～0.3 mm，含量30%±；辉石为半自形至他形，可见有暗化边，粒径0.2～0.5 mm，含量15%±；玻屑为火山玻璃质，含量5%±。

碱流岩(TCB1--1)块状构造，斑状结构，由斑晶和基质组成。斑晶主要矿物成分由碱性长石、辉石和角闪石组成(图2i、j)。碱性长石自形至半自形，长条状，见卡式双晶，裂纹较发育，粒径0.5～2.5 mm，含量30%±；辉石为半自形至他形，粒径0.1～0.25 mm，含量5%±；角闪石为半自形至他形， 粒径0.1～0.2 mm， 含量5%±；基质为火山玻璃质，含量60%±。

黑曜岩(TCB1--30)块状构造，斑状结构，由斑晶和基质组成。斑晶主要为碱性长石、角闪石和辉石(图2k、l)。碱性长石自形至半自形，长板状，可见卡式双晶，粒径0.3～1.5 mm，含量30%±；角闪石半自形至他形，粒径0.2～1.5 mm，含量8%±；辉石为自形至半自形，近四边形，粒径0.2～0.5 mm，含量7%±；基质为火山玻璃质，含量55%±。

a、b、c、d分别为灰白色浮岩、褐色火山灰、碱流岩、黑曜岩野外照片；e、g、i、k为单偏光下照片；f、h、j、l为正交偏光下照片。Px.辉石;Hbl.角闪石;Afs.碱性长石;Trachyte.粗面岩。图2 长白山火山碎屑喷出物和熔岩宏观与显微照片Fig.2 Macro and micro photographs of volcaniclastic ejecta and lava from Changbai Mountain

3 分析结果

3.1 主量元素

长白山火山碎屑喷出物和气象站期熔岩的SiO2含量较高(66.35%～73.77%)，富K2O+Na2O(9.43%～10.81%)，并具有高K2O含量(4.35%～5.49%)，以及较高的Fe2O3含量(1.73%～4.09%)，低CaO(0.28%～1.23%)、MgO(0.05%～0.32%)、TiO2(0.22%～0.53%)、P2O5(0.01%～0.11%)和MnO(0.10%～0.16%)含量(表1)。

根据TAS图解(图3a)，长白山火山碎屑喷出物和气象站期熔岩均属于碱性-亚碱性系列火山岩，以流纹岩为主。在K2O-SiO2岩石系列划分图解(图3b)中落在钾玄岩系列与高钾钙碱性系列。里特曼指数σ的变化范围较大，2.88～4.98。Mg#值[Mg#=Mg/(Mg+Fe2+)]变化范围较少，0.02～0.10。A/CNK的平均值为0.82<1，属于偏铝质岩石。具有高FeOT/MgO值，15.80～73.55。在哈克图解中SiO2与Al2O3，TiO2，TFeO，CaO，P2O5和MgO呈较好的负相关关系(图4)。

3.2 稀土元素和微量元素

长白山火山碎屑喷出物和气象站期熔岩的稀土元素总量较高，∑REE=467.67×10-6～734.89×10-6。轻重稀土分异强烈，LREE/HREE=6.48～10.95，轻稀土相对富集、亏损重稀土，稀土配分曲线右倾(图5a)，具有明显的铕负异常[δ(Eu)=0 .04～0.15]。在微量元素蛛网图上(图5b)，大离子亲石元素(LILE)K、Sr、Ba等相对亏损，高场强元素(HFSE)Th、U、Ta、Nb、Hf相对富集，P、Ti等强烈亏损。

4 讨论

4.1 岩体成因类型

Whalen总结了A型花岗岩类的元素地球化学指标，指出A型花岗岩在化学成分上具有高FeOT/MgO和K2O/Na2O，低CaO、Al2O3，富集REE、Zr、Nb、Ta，低Sc、Cr、Co、Ni、Ba、Sr和Eu的特征[20]。根据主、微量元素特征(表1)，长白山火山碎屑喷发物和气象站期熔岩具有典型的A型花岗岩特征，包括具有高FeOT/MgO值(15.80～73.55)，平均值43.56，远高于I和S型花岗岩的平均值2.27和2.38，以及M型花岗岩的平均值2.37[21]。在花岗岩类的判别图解中(图6)，样品均落在A型花岗岩区域，因此，可以运用相应花岗岩构造判别图解。

Pc.苦橄玄武岩；B.玄武岩；O1.玄武安山岩；O2.安山岩；O3.英安岩；R.流纹岩；S1.粗面玄武岩；S2.玄武质粗面安山岩；S3.粗面安山岩；T.粗面岩、粗面英安岩；F.副长石岩；U1.碱玄岩、碧玄岩；U2.响岩质碱玄岩；U3.碱玄质响岩；Ph.响岩；Ir-Irvine 分界线，上方为碱性，下方为亚碱性。图3 长白山火山碎屑喷出物和熔岩TAS分类图(岩石分类据文献[15]；系列界线据文献[16])和岩石系列SiO2-K2O图解(实线据文献[17]；虚线据文献[18])Fig.3 TAS diagram of volcaniclastic ejecta and lava from Changbai Mountain and SiO2-K2O diagram of rock series

4.2 成因机制

结晶分异和岩浆混合作用是控制岩浆成分和矿物组合变化的两种重要机制[22]。前人研究表明，长白山火山喷出物是来自地幔的同源岩浆经过演化形成的。玄武岩来自地幔源区岩石的部分熔融作用，而后期粗面质、碱流质岩石由玄武质岩浆分离结晶产生[7]。此外，长白山天池火山各类火山喷出物的Sr-Nd-Pb同位素均集中在原始地幔分布区域，靠近EMI端元，这表明长白山天池火山喷出物，例如粗面岩和碱流岩等是来源于同一地幔源区[3,23]。而千年大喷发呈现猛烈爆炸式喷发，可能形成于钾质粗面玄武质岩浆注入地壳岩浆房后与地壳中碱流质岩浆发生岩浆混合作用[24-25]。

长白山火山碎屑喷出物和气象站期熔岩MgO含量低(0.05%～0.32%)，其Yb(5.70×10-6～10.2×10-6)和Y(62.01×10-6～118×10-6)含量较高，重稀土分布较为平坦(图5a)，排除了石榴子石作为残留相。Nb/Ta的值在17.82～19.39，平均值为18.23，较接近原始地幔比值17.4[19]，Zr/Nb的值8.01～8.65，平均值为8.43，在Weaver划分的EM-I洋岛玄武岩范围内(4.2～11.5)[26]，说明源区岩浆可能是幔源岩浆。哈克图解中呈现出明显的线性关系，反应岩浆经历了明显的结晶分异作用(图4)。Eu负异常的出现可能是由于斜长石分离结晶造成的。Ba、Sr、P、Ti的负异常也指示了斜长石的强烈分离结晶作用。 Ti负异常除了说明斜长石结晶外，还有辉石、钛铁氧化物的结晶分离作用。P负异常表明副矿物磷灰石在岩浆演化过程中可能发生了分离结晶作用。此外，刘若新等[23]研究了长白山粗面岩87Sr/86Sr同位素与微量元素Sr之间的关系，指出岩浆在上侵时受到地壳组分的混染。

综上所述，长白山火山碎屑喷出物和熔岩可能起源于幔源岩浆的结晶分异作用，并在上侵过程中受到地壳组分的混染。

图4 长白山火山碎屑喷出物和熔岩哈克图解Fig.4 Harker diagrams of volcaniclastic ejecta and lava in Changbai Mountain

4.3 构造意义

对于A型花岗岩大地构造背景，Loiselle and Wones的原始定义强调其非造山特性[27]。Eby运用岩石学和地球化学等方法，按构造背景和来源的不同将A型花岗岩类分为A1和A2两种亚类，并建立相应的判别图解[28]。在应用Eby的Y-Nb-3Ga三角判别图时[29]，前提条件必须满足样品落在Pearce的构造判别图解中板内花岗岩(WPG)[30]和 Whalen的Ga /Al图解 A 型花岗岩区域[20]。图6、图7(a、b)中样品均落在板内花岗岩和A型花岗岩区域内。图7(c、d)中样品均投点在A1型花岗岩区域，说明本地区有可能形成于非造山板内张性构造体制下。前人大量研究表明：①多成因复合火山是长白山天池火山的典型特征，其岩浆喷发物由高钾粗面玄武岩、粗面岩和碱流岩组成[23]；②长白山地区火山活动动力来源是西太平洋板块俯冲导致的东北亚大陆弧后拉张。日本海弧后盆地的形成导致了中国大陆东部中-新生代在构造上整体处于拉张状态[11,24,31-32]。长白山火山碎屑喷出物与熔岩属于A1型火山岩(图7c、d)，表明其形成于非造山板内拉张构造体制下(图7)，这也与整体构造环境相吻合。所以，长白山火山碎屑喷出物和熔岩是在非造山板内拉张构造环境下形成的。

图5 长白山火山碎屑喷出物和熔岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据文献[19])Fig.5 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of volcaniclastic ejecta and lava in Changbai Mountain

(a)NK/A-(10 000 Ga/Al)图解； (b)K2O/MgO-(10 000 Ga/Al)图解； (c)(K2O+Na2O)/CaO-(10 000 Ga/Al)图解； (d)Nb-(10 000 Ga/Al)图解图6 长白山火山碎屑喷出物和熔岩岩浆岩成因类型判别图Fig.6 Discrimination diagram of genetic types of volcaniclastic ejecta and lava in Changbai Mountain

WPG.板内花岗岩；VGA.火山弧花岗岩；ORG.洋中脊花岗岩；Syn-COLG.同碰撞花岗岩。 (a)Ta-Yb图解；(b)Nb-Y图解；(c)Nb-Y-3Ga图解；(d)Nb-Y-Ce图解。图7 构造判别图解Fig.7 Tectonic discrimination diagrams

5 结论

(1)长白山火山碎屑喷出物和熔岩为钾玄岩系列和高钾钙碱性系列岩石，属于典型的A型火山岩。

(2)长白山火山碎屑喷出物和熔岩可能起源于幔源基性岩浆的分异演化，在上侵时受地壳组分的混染。

(3)长白山火山碎屑喷出物和熔岩形成于非造山板内拉张构造环境下。