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        吉林長白山天池第四紀火山旋回性噴發(fā)與冰川作用的耦合關(guān)系

        2020-07-04 02:50:33王照波王江月李寶杰
        華東地質(zhì) 2020年2期

        王照波 王江月 李寶杰

        摘要: 長白山天池火山噴發(fā)活動貫穿整個第四紀,旋回性明顯,發(fā)育良好的冰川遺跡,為火山噴發(fā)與冰川作用的耦合性研究提供了有利條件。文章通過對長白山天池第四紀火山噴發(fā)旋回及火山巖分布特征研究,收集火山噴發(fā)年代學與冰期-間冰期旋回年代學數(shù)據(jù),并利用衛(wèi)片解譯了火山噴發(fā)與冰蝕U谷的關(guān)系。在年代學數(shù)據(jù)的約束下,根據(jù)天池火山錐體周邊廣泛發(fā)育的U谷遺跡,將研究區(qū)冰川作用分為3個冰期:錦江冰期、漫江冰期和二道白河冰期,分別對應中國東部鄱陽冰期、大姑冰期和廬山冰期。長白山天池火山造錐階段噴發(fā)形成的白頭山組3個階段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ),與上述3個冰期具有良好的耦合關(guān)系。天池內(nèi)部冰斗為白頭山冰期(即中國東部東山冰期,MIS4)產(chǎn)物,經(jīng)黑風口冰期與氣象站冰期(即中國東部蒙山冰期,MIS2)、全新世冰川作用及火山作用的雙重改造,其基本特征保存至今。長白山天池冰蓋消融導致的釋壓反彈,可能誘發(fā)了天池火山呈旋回性噴發(fā)。

        關(guān)鍵詞: 火山噴發(fā);冰川作用;U谷;長白山天池;釋壓反彈

        中圖分類號:P3436

        文獻標識碼:A

        文章編號:20961871(2020)0210808

        迄今為止,吉林長白山一帶第四紀冰川遺跡的期次劃分仍存在諸多爭議。一種以孫建中[1]為代表,認為該區(qū)保存全系列第四紀古冰川作用的遺跡,主要依據(jù)分布在望天鵝火山周邊的冰磧物,將第四紀冰川作用由早到晚劃分為四等房冰期、腰嶺冰期、布老克冰期、二道崗冰期和白頭山冰期,分別對應中國東部龍川冰期、鄱陽冰期、大姑冰期、廬山冰期和大理冰期。孫廣友等[2]將孫建中[1]建立的冰期重新劃分為望天鵝冰期(即四等房冰期)、錦江冰期、鴨綠江冰期(即二道崗冰期)和白頭山冰期,但未進行冰磧物年齡測試。另一種以施雅風等[3]為代表,認為該區(qū)僅發(fā)育末次冰期及之后的冰川作用。末次冰期長白山的雪線為2 100~2 200 m,且僅限于白頭山天池附近。裘善文[4]認為天池火山一帶冰川發(fā)生于末次冰期晚期,當時雪線為2 200 m,部分下延至1 600~1 800 m的槽谷屬于冰緣地貌的“雪蝕槽谷”,認為二道白河形似U谷,不一定是冰川作用形成的。張威等[56]和李川川[7]認為長白山發(fā)育末次盛冰期(LGM)與晚冰期,時間分別為200±21 ka和113±12 ka。綜合多種雪線確定方法,認為天池火山末次盛冰期的雪線為2 300±20 m,晚冰期的雪線約2 465 m。將海拔2 000~2 100 m的區(qū)域命名為黑風口冰進(冰期),將海拔2 400~2 600 m的區(qū)域命名為氣象站冰進(冰期)。

        除了上述獲得的具有明確年齡值的黑風口冰期與氣象站冰期外,目前尚無研究者對天池地區(qū)更古老的冰川作用及存在的時代進行研究,原因是長白山天池火山的后期噴發(fā)作用破壞或覆蓋了前期冰川作用遺跡?;鹕絿姲l(fā)雖然可以破壞前期形成的冰川遺跡,但隨著火山巖測年手段的多樣化及測年精度的不斷提高,以及年齡跨度遠大于冰磧物測年方法(如14C、光釋光、宇生核素等)[8]的應用,為約束火山噴發(fā)期次、限定冰川期次提供了可能性。冰蝕作用形成的地貌遺跡(如U谷)很難徹底被破壞,尤其當火山噴發(fā)強度遞減的情況下,U谷更可能得到有效遺存。

        由于長白山天池火山在第四紀存在多期次旋回噴發(fā),其造錐作用過程中火山噴發(fā)強度遞減導致錐體覆蓋面積也逐次遞減。此外,近年獲得大量火山巖年齡數(shù)據(jù),為利用衛(wèi)星圖片分辨冰蝕U谷與火山熔巖提供了條件。結(jié)合筆者近年對冰川期次、冰川遺跡和冰蝕地貌研究成果[917],建立長白山天池火山旋回性噴發(fā)與冰川作用間的相互關(guān)系,進一步分析火山地貌的演化過程。

        1火山巖時空分布特征

        長白山天池火山位于吉林省東部與朝鮮接壤地帶(圖1(a)),是我國最大的休眠火山,我國境內(nèi)最高峰為白云峰,海拔2 691 m。天池火山噴發(fā)活動貫穿第四紀,火山噴發(fā)旋回性明顯,大量年代學數(shù)據(jù)為天池火山巖噴發(fā)旋回的建立奠定了基礎(chǔ)。

        11火山巖分布

        長白山天池火山巖具有盾錐特征,其噴發(fā)歷史可以分為2個階段:第一階段是以玄武質(zhì)巖漿噴發(fā)為主的造盾階段;第二階段是以粗面巖、堿流巖噴發(fā)為主的造錐階段。

        玄武巖盾主要分布在海拔1 200 m以下,構(gòu)成天池火山基座。玄武巖最早噴發(fā)始于5 Ma左右,在20~12 Ma噴發(fā)規(guī)模最大,形成長白山玄武巖盾[18]。盾體主要由上新世軍艦山組玄武巖(45~21 Ma)[19]和早更新世漫江組玄武巖(20~12 Ma)[20]組成。

        由粗面巖組成的錐體分布在1 200 m之上火山口周圍。以火山口為中心,由外向內(nèi),天池火山錐呈由老到新的環(huán)帶狀(圖1(b))。造錐階段早期以粗面巖為主,構(gòu)成火山錐體主要部分;造錐階段晚期以堿流巖為主,呈席狀覆蓋在錐體最上部[21],主要為早更新世小白山組粗安粗面巖(096 Ma)[20]、老房子小山組粗面玄武巖(087 Ma)[22]。中—晚更新世白頭山組3個階段的粗面巖構(gòu)成天池火山錐主體,其中Ⅰ階段為061~053 Ma[18],Ⅱ階段為044~025 Ma[18],Ⅲ階段為013~008 Ma[22]。潘波[23]分別建立了天文峰期(506 ka)、氣象站期(113 ka)和千年爆發(fā)期(095 ka),八卦廟期火山巖噴發(fā)時間為085 ka[24]。

        12火山巖年齡

        根據(jù)前人對長白山天池火山噴發(fā)地質(zhì)調(diào)查與測年結(jié)果[1824],將天池火山噴發(fā)旋回及年齡數(shù)據(jù)列于表1。

        白頭山組與天文峰期火山巖噴發(fā)于中—晚更新世,與第四紀冰川發(fā)育期相同,為冰川期次劃分提供了年代學資料。

        2火山旋回性噴發(fā)與冰川作用的耦合關(guān)系

        火山噴發(fā)形成的錐體與冰川作用形成的U谷是宏觀地貌現(xiàn)象,規(guī)??蛇_數(shù)百米至數(shù)千米,為衛(wèi)星照片解譯提供了可能。位于雪線之上的火山錐在冰期受冰蝕作用后形成冰蝕地貌(冰斗、U谷)。冰蝕地貌遭受火山巖掩蓋,構(gòu)成“火山噴發(fā)—冰蝕雕刻—火山掩蓋—冰蝕雕刻”的循環(huán)關(guān)系。根據(jù)火山巖年代學數(shù)據(jù)建立噴發(fā)旋回(圖1(b),表1),可知長白山天池火山噴發(fā)活動貫穿整個第四紀,其造錐過程的噴發(fā)強度逐漸減弱。

        深海氧同位素階段(MIS)氣候演化的冰期旋回[25]與冰期年齡值為建立火山噴發(fā)與冰期旋回提供了年代學基礎(chǔ)。深海沉積物中底棲有孔蟲的δ18O 值可推斷不同時期的溫度和全球冰量變化,反映冰期與間冰期的環(huán)境交替,即MIS曲線奇數(shù)階段為暖期,對應間冰期(階),偶數(shù)階段為冷期,對應冰期(階)。此外,深海氧同位素階段的劃分與測年數(shù)據(jù)相結(jié)合,MIS曲線可完整記錄第四紀全球氣候的演化規(guī)律[15]。

        21老房子小山組—錦江冰期U谷—白頭山組Ⅰ段的疊壓關(guān)系

        老房子小山組玄武巖(087 Ma)[22]廣泛分布在天池火山西側(cè)盾體,構(gòu)成第一級錐體(圖1(b))。其上是典型的U谷,U谷上方被白頭山組Ⅰ段粗面巖(061~053 Ma)[18]掩蓋,形成一級臺階(圖1(b),圖2(b))。根據(jù)MIS演化階段,在兩期巖漿噴發(fā)之間為MIS16[25],即065 Ma左右的中國東部鄱陽冰期或歐洲貢茲冰期[15]。據(jù)此認為,該U谷形成時代為中國東部鄱陽冰期,僅在U谷上端及冰斗部分被白頭山組Ⅰ段粗面巖掩蓋。

        殘存的U谷長4 km,寬350~500 m(圖2(b)),分布在海拔1 200~1 500 m處,構(gòu)成錦江河源頭區(qū),是長白山地區(qū)最早具年代約束的冰川遺跡,故將其命名為錦江冰期,對應中國東部鄱陽冰期?,F(xiàn)錦江峽谷景觀帶上端即為錦江冰期U谷內(nèi)部,經(jīng)歷60余萬年流水侵蝕切割,在谷內(nèi)形成窄小V谷。

        22白頭山組Ⅰ段—漫江冰期U谷—白頭山組Ⅱ段的疊壓關(guān)系

        白頭山組Ⅰ段噴發(fā)于061~053 Ma[18],Ⅱ段噴發(fā)于044~025 Ma[18]。053 Ma與044 Ma之間對應于MIS12階段[25],即距今045 Ma的中國東部大姑冰期或歐洲民德冰期[15](圖3),該時段出露U谷。

        白頭山組Ⅰ段與Ⅱ段的火山噴發(fā)面積接近,Ⅰ段粗面火山巖的冰蝕地貌多數(shù)被Ⅱ段粗面巖覆蓋。此時U谷在漫江發(fā)源天池的支流源頭區(qū)出露較好(圖1(b),圖2(c)),由2條并列的U谷組成,長約27 km,寬約350 m,海拔1 470~1 700 m。根據(jù)冰川遺跡的年代學數(shù)據(jù)約束,將該時期U谷的冰期稱為漫江冰期,對應中國東部大姑冰期。

        23白頭山組Ⅱ段—二道白河冰期U谷—白頭山組Ⅲ段的疊壓關(guān)系

        白頭山組Ⅱ段(044~025 Ma)[18]在火山錐體分布廣泛,其上分布典型U谷,U谷之上被白頭山組Ⅲ段粗面巖(013~008 Ma)[22]覆蓋,形成臺階(圖1(b),圖2(d))。根據(jù)MIS演化階段,兩期巖漿噴發(fā)之間為MIS6階段[25],即015 Ma左右的中國東部廬山冰期,或歐洲里斯冰期(圖3)[15]。

        該時期殘存U谷長4 km,寬650 m(圖2(d)),分布在海拔1 500~1 900 m處。長白山天池二道白河U谷是有年代學數(shù)據(jù)約束的冰川遺跡,將U谷在該區(qū)的冰期命名為二道白河冰期,對應中國東部廬山冰期。

        24末次冰期冰川遺跡

        白頭山組Ⅲ段粗面巖最晚噴發(fā)于008 Ma[22](表1),分布在天池火山口周邊(圖1(b))。該套火山巖形成的U谷延伸到天池火山最高處(圖2(e)),對應于MIS4階段[25],是距007 Ma的東山冰期,即歐洲玉木冰期早冰階的遺留部分[15]。其后依次為天文峰期(005 Ma)[23]及堿流質(zhì)爆炸式噴發(fā)火山碎屑巖,無法完全覆蓋東山冰期冰蝕U谷,其分布海拔為2 000~2 600 m。該冰期遺跡分布在白頭山周圍,以往將末次冰期稱為白頭山冰期,本文將末次冰期早冰階對應的冰期改稱為白頭山冰期。

        末次冰期晚冰階對應于MIS2階段[25],距今2萬年左右的蒙山冰期,即歐洲玉木冰期晚冰階[15]。由于冰川規(guī)模遠小于東山冰期[10],其衛(wèi)片影像辨識度較差。張威等[56]通過冰磧遺跡測年研究,將海拔2 000~2 100 m區(qū)域劃分為黑風口冰進(冰期),時代為200±21 ka;將海拔2 400~2 600 m區(qū)域劃分為氣象站冰進(冰期),時代為113±12 ka。

        25全新世冰川遺跡

        目前,關(guān)于天池火山全新世冰川遺跡的研究尚無報道。山東蒙山全新世冰磧測年劃分出82 ka的攔馬冰期和53 ka的清榮冰期[10,12],長白山火山口是否存在與攔馬冰期或清榮冰期對應的冰磧遺留,這有待于進一步研究。

        3討論

        31二道白河U谷成因與形成時間

        崔天日等[20]研究了天池北側(cè)二道白溝典型U谷,推測其形成與斷裂相關(guān)。孫建中[1]認為二道白河U谷是冰川作用形成的。孫廣友等[2]認為二道白河峽谷為冰川U谷(圖4(a)),形成時代為中更新世早期老布克冰期(即中國東部大姑冰期)。裘善文[4]認為二道白河形似U谷,但不一定是冰川谷。潘波[23]認為二道白河U谷是由第四紀高山冰川作用形成的U型深谷。

        根據(jù)火山巖噴發(fā)期次與二道白河同期次U谷的關(guān)系,筆者認為二道白河為冰川U谷,形成時代為中國東部廬山冰期(MIS6),并非大姑冰期。二道白河U谷比其他同期U谷延伸長,原因是白頭山組Ⅲ段粗面巖噴發(fā)時,在二道白河分布區(qū)噴溢流量較少,未被大面積覆蓋,二道白河U谷才能完整保存。二道白河U谷頂端冰斗斗底高程約1 960 m,推測廬山(二道白河)冰期最高雪線約1 960 m,其他同期U谷也應達到近似高程,只是被后期白頭山組Ⅲ段粗面巖覆蓋才形成“半截U谷”。推測在MIS6階段火山口也應形成相應的冰斗地貌,但被白頭山組Ⅲ段粗面巖掩蓋而不見。

        32天池火山口冰斗形成時間

        天池火山口共有8個冰斗,其形成時間尚無定論。根據(jù)冰斗位置,逆時針將火山口冰斗分別編為1~8號(圖1(b)、圖4(b)、(c)、(d))。張威等[5]對3號冰斗(青石峰冰斗)進行冰磧測年,獲得113±12 ka的年齡,發(fā)現(xiàn)末次冰盛期的冰磧壟[2627],表明火山口冰斗至少形成于MIS2階段。因火山口冰斗斗底高程高于廬山冰期二道白河U谷冰斗高程,可認為其形成時代為中國東部廬山冰期(MIS6)之后,最早于東山冰期(MIS4)形成?;鹕娇诒返孛驳男纬稍诎最^山組Ⅲ段粗面巖噴發(fā)之后(80 ka后)。結(jié)合山東蒙山末次冰期冰川規(guī)模,東山冰期(MIS4)冰川規(guī)模是蒙山冰期(MIS2)冰川規(guī)模的數(shù)十倍[10,12]。研究表明,天池火山口冰斗形成時間為MIS4階段,其后經(jīng)歷浮巖等碎屑巖的爆炸式噴發(fā),冰川作用侵蝕未對MIS4階段形成的冰斗地貌進行改造。目前,天池火山口基本地貌特征在MIS4階段形成后基本定型并維持到現(xiàn)今。局部地段受后壁海拔高程影響,在之后的冰期,2號、3號、5號、6號冰斗進一步達到2 400 m的海拔。在MIS4冰期,天池水面遠低于現(xiàn)今水面,使MIS4在火山口內(nèi)形成的冰磧被淹沒。根據(jù)外側(cè)冰蝕地貌,認為MIS4階段冰期的最低雪線約為2 000 m。

        33二道白河與天池貫通時間

        中國東部廬山冰期(MIS6)形成U谷后,二道白河成為源頭(圖4(a))保持至現(xiàn)今,MIS6階段在火山口內(nèi)形成的冰斗被后期規(guī)模巨大的白頭山組Ⅲ段粗面巖掩蓋,但二道白河U谷保存下來。MIS4階段冰期,在乘槎河重新形成1號冰斗(圖4(b)),二道白河源頭受冰川避谷作用影響,在原來冰斗前端兩側(cè)形成“羊角谷”,冰蝕作用未使二道白河與天池貫通,只是削低了連接處的高程,該高程應高于現(xiàn)在水面100 m左右。

        潘波[23]在1號冰斗內(nèi)乘槎河西坡剖面確認八卦廟期(085 ka)黑色粗面巖沉積在白色堿流質(zhì)浮巖(095 ka)之上,白色浮巖之下為松散砂礫石堆積物,礫石磨圓度較好,反映經(jīng)過了湖水反復沖刷。該處高出現(xiàn)今水位50 m(圖4(c))[23],表明乘槎河的貫通時間在千年大噴發(fā)之前、湖相礫石層形成之后,推測應為中晚全新世,可能在4 ka左右的暖濕雨季,大量降水提升了天池水位,沒過1號冰斗后壁外泄,從而貫通二道白河,在1號冰斗內(nèi)形成乘槎河,在二道白河冰斗后壁形成長白山瀑布。

        34長白山是否存在前鄱陽冰期

        前人在望天鵝火山周圍發(fā)現(xiàn)冰川沉積并建立了四等房冰期、腰嶺冰期、老布克冰期和二道崗冰期[1]。腰嶺冰期和二道崗冰期位于階地表面,屬于鄱陽冰期后的某一冰期沉積。四等房冰期與老布克冰期可能位于望天鵝火山巖覆蓋之下,也可能在望天鵝火山巖層中。望天鵝火山的最后噴發(fā)時間為241 Ma[22],這些夾望天鵝火山噴發(fā)層的冰磧層時代應為早更新世早期或上新世晚期。

        35長白山冰蓋消融釋壓反彈與火山噴發(fā)的關(guān)系

        火山噴發(fā)與冰川消融存在明顯的耦合關(guān)系(圖3)?;鹕絿姲l(fā)緊隨冰川消融,其內(nèi)在因素尚不清楚,但是冰蓋消融導致地面釋壓反彈已有不少研究[2832]。長白山天池火山第四紀大規(guī)模旋回性噴發(fā),是否與冰蓋消融釋壓反彈有關(guān),這需進一步研究。

        4結(jié)論

        (1)長白山天池火山錐體周邊發(fā)育第四紀冰川遺跡,劃分了錦江冰期(鄱陽冰期)、漫江冰期(大姑冰期)和二道白河冰期(廬山冰期)。長白山地區(qū)錦江冰期的最低雪線約為1 200 m,漫江冰期的最低雪線約為1 470 m,二道白河冰期的最低雪線約為1 500 m。

        (2)二道白河U谷是冰川作用形成的典型U谷,形成時間為中國東部廬山冰期。二道白河與天池的貫通時間為中晚全新世。4 ka左右的暖濕期降水沒過了1號冰斗與二道白河冰斗之間的刃脊,天池水外泄。

        (3)長白山天池火山旋回性噴發(fā)可能與天池冰蓋消融釋壓導致地下巖層反彈隆升有關(guān)。

        致謝:本項研究得到了中國石油大學呂洪波教授、南京師范大學黃家柱教授、中科院海洋研究所趙松齡教授、南京大學楊達源教授、自然資源部第一海洋研究所徐興永研究員、中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學所錢方教授、中國科學院南京湖泊研究所于革教授、中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所蘇德辰研究員、河南地礦職業(yè)學院張先教授、赤峰學院顧曉輝教授的幫助與支持,審稿專家與編輯提出了諸多良好建議,在此致以誠摯的謝意!

        注:文中衛(wèi)星圖片均引自google earth。

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