潘波 程滔 徐丹 劉松軍

1. 中國地震局地質(zhì)研究所，吉林長白山火山國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 1000292. 中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 1000293. 國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830

長白山天池火山位于中國東北的中朝邊境線上，是長白山火山系中最年輕的一座大型復(fù)合式活火山(圖1)。在其錐體北坡的天文峰之上，出露了天池火山爆炸式噴發(fā)階段的空降浮巖堆積，自頂向下依次展現(xiàn)了灰黑色、灰白色、黃色與灰白色等多種色彩，條帶狀的顏色成因引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。通常巖石顏色的成因分為原生色和次生色兩種類型。原生色是巖石由于本身成分或礦物組成所形成的顏色，如火成巖中的噴出巖，顏色總體與巖漿成分和礦物組成相關(guān)，隨著SiO2含量上升，F(xiàn)e與Mg等元素和輝石與橄欖石等暗色礦物減少，噴發(fā)物顏色由深色逐漸向淺色過渡，如低硅高鐵的玄武巖多呈現(xiàn)出深色(圖2a)，而高硅低鐵富長石的堿流巖多呈現(xiàn)出灰白色(圖2b)(徐夕生和邱檢生, 2010; Sigurdsson, 2000)。次生色主要由巖石后期所處環(huán)境變化或風(fēng)化淋濾作用所形成，如同為噴出巖的玄武巖，在溢流噴發(fā)中多為灰黑色，而干燥環(huán)境下爆炸濺落中受氧化作用呈現(xiàn)出磚紅色(圖2c)，這主要是巖石內(nèi)Fe、Mn等離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)所造成(Farr and Adams, 1984; Paulick and Franz, 1997)。再者，沉積物中有機物的含量多少也可造成顏色的改變，如中國東北的黑土主要是由于富含大量腐殖質(zhì)而成為黑色(熊毅, 1937)。當(dāng)然，除普遍規(guī)律與特征外，自然界中各種巖石的顏色還有其獨特的特征和意義，成因也紛繁復(fù)雜，是科學(xué)關(guān)注和研究的重要內(nèi)容(Hildreth, 1983; Fisher and Schmincke, 1984; Imaietal., 1993; Klug and Cashman, 1994; Capaccioni and Coniglio, 1995)。

圖1 長白山火山地質(zhì)簡圖與剖面觀察點位置(據(jù)Andreeva et al., 2014修改)黑色線為千年大噴發(fā)空降浮巖分布的邊界線；黃色線為天文峰期噴發(fā)空降浮巖分布的北側(cè)邊界線；T-天文峰剖面位置；H-黑石溝剖面位置Fig.1 Geological map of Changbaishan volcano and the observation point of section for Tianwenfeng eruption (modified after Andreeva et al., 2014)The black line is the boundary of the pumice fall of the Millennium eruption; the yellow line is the boundary of the pumice fall of the Tianwenfeng eruption in China side; T is the location of Tianwenfeng section; H is the location of Heishigou section

圖2 火山噴發(fā)形成不同顏色的火山巖(a)夏威夷火山溢流噴發(fā)產(chǎn)生的黑色玄武巖；(b)美國長谷火山爆炸式噴發(fā)產(chǎn)生的灰白色堿流質(zhì)空降浮巖和火山碎屑流(Hildreth and Wilson, 2007)；(c)長白山紅土山火山的紅色濺落渣錐Fig.2 Different colors of volcanic rocks or deposits generated by volcano eruption(a) black basaltic lava flow in Hawaii volcano; (b) gray comenditic pumice fall and pyroclastic flow in Long Valley volcano in the USA (Hildreth and Wilson, 2007); (c) red splashing cinder cone at Hongtushan in Changbaishan volcano

天池錐體北坡的天文峰剖面前人曾開展過系列的研究，主要關(guān)注各期次的噴發(fā)歷史和成分的變化(圖3a)，而在顏色上涉及的討論較少。最頂部薄層灰黑色浮巖的SiO2含量約為65%，緊挨著下部的灰白色浮巖的SiO2含量約為74%(圖3b)，兩者均為千年大噴發(fā)(946-947AD)的噴發(fā)產(chǎn)物，顏色的差異主要是由于巖漿成分的不同所形成，此認識目前得到廣泛的認可(Hayakawa and Koyama, 1998; Chenetal., 2016; Panetal., 2017, 2020)。而下部一套厚層的空降堆積物，顏色由上部黃色逐漸過渡到下部的灰白色，存在了廣泛的爭議并引起學(xué)者開展了相關(guān)研究。劉若新等(1998)根據(jù)野外調(diào)查認為兩者顏色上雖存在差異，但未存在明顯的堆積間斷，整體應(yīng)為同一次噴發(fā)作用所形成，但關(guān)于浮巖顏色的差異原因并未進行討論。張秉良等(2006, 2008)對黃色浮巖和上部千年大噴發(fā)浮巖的火山玻璃進行了顯微研究，發(fā)現(xiàn)黃色浮巖的風(fēng)化厚度為3.74μm，而千年大噴發(fā)浮巖的風(fēng)化厚度為0.98μm，且風(fēng)化層在成分上富Al和Fe，而Si相對降低，但也未延伸到顏色差異原因。尹功明等(2012)首次針對黃色浮巖的顏色成因進行了探討，認為黃色物質(zhì)是千年大噴發(fā)過程中高溫?zé)崴淮鷩鷰r作用所造成，不是一次獨立噴發(fā)活動所形成，此觀點的提出受到大量的質(zhì)疑。許建東等(2013)根據(jù)巖相學(xué)與顯微形貌特征重新確立了此套浮巖應(yīng)為一期獨立噴發(fā)活動所形成，且通過氣孔結(jié)構(gòu)等認為是與千年大噴發(fā)規(guī)模相似的一次噴發(fā)活動。此后，Yangetal. (2014) 和Sunetal. (2017) 分別應(yīng)用40Ar/39Ar和釋光技術(shù)對此期噴發(fā)的年代進行了研究，均表明黃色浮巖的活動時代與千年大噴發(fā)不同，應(yīng)是一次獨立的噴發(fā)活動。Panetal. (2020) 根據(jù)區(qū)域地層關(guān)系和測年結(jié)果，認為此期為大規(guī)模的噴發(fā)活動，噴發(fā)物分布廣泛，且據(jù)日本?；鹕交褺-J層推測噴發(fā)年齡可能為～50ka。另外，本文根據(jù)這套厚層浮巖主要發(fā)育在天文峰之上，將其命名為天文峰期噴發(fā)，便于后續(xù)的討論。

圖3 天池北側(cè)天文峰主峰上的空降浮巖堆積物照片(a) 天文峰主峰整體照片，可見中間厚層的黃色浮巖與灰白色浮巖；(b) 剖面頂部的千年大噴發(fā)灰黑色粗面質(zhì)空降浮巖和灰白色堿流質(zhì)空降浮巖；(c) 天文峰上黃色浮巖與灰白色浮巖；紅色方塊為天文峰上全巖成分測試樣品的采樣點Fig.3 Photos of pumice fall deposits at Tianwenfeng summit, north of Tianchi Lake(a) Photo of Tianwenfeng summit shows the thick pumice fall deposits with yellow and gray color; (b) Photo at the top of summit shows the deposit of Millennium eruption, which was composed with black trachyte pumice fall and gray comenditic pumice fall; (c) the yellow pumice and gray pumice at Tianwenfeng summit; Red squares are the sample point for Whole-rock geochemistry analysis

目前，根據(jù)諸多前人研究成果基本可以確定天文峰黃色浮巖層是一次獨立噴發(fā)活動所形成，但對于其顏色成因與變化問題卻仍未有相應(yīng)的專門研究工作。本文在前人工作基礎(chǔ)上，關(guān)注天文峰期黃色浮巖的顏色成因問題，進行了野外地質(zhì)調(diào)查、浮巖的顯微形貌、全巖的主微量、電子探針與LA-ICP-MS測試等工作，獲得了天文峰期噴發(fā)堆積物分布、顯微形貌和成分等特征，據(jù)此進一步驗證了天文峰期黃色浮巖與下部灰白色浮巖為同一期噴發(fā)所形成；上部黃色浮巖的顏色為次生色，是由于在濕潤環(huán)境下形成的黃色粘附物改變了原來的顏色而形成。這一研究揭開了黃色浮巖的顏色成因，也為天文峰期噴發(fā)活動的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況與天文峰期噴發(fā)

長白山天池火山由于其公元946～947年的大規(guī)模爆炸式噴發(fā)和2002～2006年的火山擾動事件，使天池火山被認為是中國境內(nèi)最具潛在噴發(fā)危險的大型活火山，引起了中國乃至東北亞地區(qū)的高度關(guān)注(Hayakawa and Koyama, 1998; Xuetal., 2012; Stone, 2011, 2013; Oppenheimeretal., 2017; Panetal., 2020)。長白山火山噴發(fā)活動始于漸新世，初期玄武質(zhì)巖漿溢流式噴發(fā)在區(qū)域內(nèi)形成了廣泛的熔巖盾，后期隨著巖漿的分異演化，逐漸形成了以粗面巖為主的火山錐體，并最終分異演化出堿流質(zhì)巖漿，形成大規(guī)模的爆炸式噴發(fā)活動，將高聳的錐體爆破形成破火山口，同時深部巖漿不斷沿裂隙上侵在破火山口周圍形成小規(guī)模的熔巖渣錐(圖1)(劉若新等, 1998; 樊祺誠等, 2007)。目前，天池火山是長白山火山體系中最年輕和火山口保存最為完整的一座，其晚期爆炸式噴發(fā)產(chǎn)生的空降浮巖和火山碎屑流廣泛分布在火口四周，是區(qū)域內(nèi)地表最主要的出露地層和堆積物(Sunetal., 2017; Panetal., 2017)。

天文峰期噴發(fā)由于噴發(fā)物出露較少，僅在天文峰處見厚層堆積，總體研究程度相對較低，有待進一步相關(guān)工作的開展。其中，最為關(guān)注的噴發(fā)時代問題尚未厘定，劉若新(2000)根據(jù)園池鉆孔中千年大噴發(fā)浮巖下的碳化木年齡推測噴發(fā)可能發(fā)生在約5000年前；Yangetal. (2014)通過高精度40Ar/39Ar同位素技術(shù)對黃色浮巖測定認為噴發(fā)時間為4.2±0.4ka BP；Sunetal. (2017)通過釋光技術(shù)對黃色浮巖進行測試認為噴發(fā)時代約為2ka BP；另外，Limetal. (2013)提出日本海鉆孔中的B-J火山灰層(地層時間為51ka)可能來源與長白山，Panetal. (2020)通過地層關(guān)系比對認為該火山灰層可能對應(yīng)于黃色浮巖，因此借鑒噴發(fā)時間為～50ka；綜上可見黃色浮巖的噴發(fā)時間仍待進一步的精確測定。另外，此期噴發(fā)堆積物由于噴發(fā)時代相對較老，地表出露有限，僅在部分鉆孔和探槽中可見，因此分布范圍和噴發(fā)規(guī)模等也尚不明確(劉嘉麒和王松山, 1982; 劉若新, 2000; 劉強等, 2008)。

2 方法與技術(shù)

火山巖的顏色普遍認為主要與成分或者噴發(fā)環(huán)境(如氧化還原)有關(guān)，因此為解決天文峰期黃色浮巖的成因問題，本研究分別進行了野外地質(zhì)調(diào)查、浮巖顯微形貌觀察和地球化學(xué)成分測定三個方面的工作(熊毅, 1937; Macdonald and Katsura, 1965; Paulick and Franz, 1997)。

2.1 野外地質(zhì)調(diào)查

天池北側(cè)的天文峰是天文峰期噴發(fā)堆積物的主要出露點(圖1點T)(劉若新, 2000; 劉祥等, 2004)，野外針對此剖面進行了詳細調(diào)查和系統(tǒng)取樣，觀察剖面顏色的變化特征、浮巖粒徑、巖屑含量，以及與上下層之間的接觸關(guān)系(圖3)。另外，劉強等(2008)在天池錐體東側(cè)的雙目峰鉆孔中發(fā)現(xiàn)了黃色浮巖層的存在，并通過噴發(fā)序列與堆積層序與天文峰黃色浮巖層相對應(yīng)，為天文峰期噴發(fā)的中源空降浮巖堆積。因此，我們野外工作中在黑石溝底部開挖探槽(圖1點H)，尋找到厚約2.6m的該期空降浮巖，顏色同樣也呈現(xiàn)出頂部為黃色，下部為灰白色的特征，詳細觀察結(jié)果見文獻(Panetal., 2020)。同時，在這兩個剖面上進行了自上而下的系統(tǒng)取樣工作。

2.2 顯微形貌觀察

針對天文峰與黑石溝內(nèi)黃色浮巖、淺黃色浮巖和下部灰白色浮巖樣品分別進行了巖石薄片的磨制，磨制中按電子探針的要求進行拋光，為后續(xù)電子探針微區(qū)成分測試做準備。同時選取千年大噴發(fā)堿流質(zhì)浮巖和粗面質(zhì)浮巖作為對比樣品進行了電子探針薄片磨制。利用偏光顯微鏡開展了巖石薄片觀察，觀察內(nèi)容包括火山玻璃結(jié)構(gòu)、氣孔形貌、斑晶組成以及氣孔內(nèi)的填充物等。另外，電子探針的背散射電子圖像(Back Scattered Electron Imaging，簡稱BSE)可放大至更高倍數(shù)進行巖石薄片特征的觀察，因此利用其對火山玻璃、氣孔形貌及充填物等進行了更深入細致的觀察。

2.3 巖石成分測定

巖石成分的測試包括全巖的和火山玻璃的主微量成分測試。全巖的主微量測試在中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心進行，主量元素利用X熒光光譜儀(Phillips PW4400 X-ray Fluorescence Spectrometer)按照國標GB/T14506.28—2010標準流程進行測試，微量元素利用等離子質(zhì)譜儀(X-Series)按照國標DZ/T0223—2001標準流程進行測試。電子探針測試在美國俄勒岡州立大學(xué)電子探針測試實驗室進行，測試儀器為Cameca SX-100，加速電壓為15kV，電子束電流為30nA，光斑直徑為5μm，分別進行了黃色浮巖火山玻璃、氣孔內(nèi)充填物和灰白色浮巖火山玻璃的主量元素測試。微量元素的測試是在美國俄勒岡州立大學(xué)W. M Keck等離子體光譜實驗室(W.M Keck Collaboratory for Plasma Spectrometry)開展，測試儀器激光器為NewWave DUV ArF Excimer laser，分析儀器為VGPQ ExCell Quadrupole ICP-MS，激發(fā)激光光斑為30μm，元素分析誤差<5%，相關(guān)測試流程參考Kentetal. (2004)，分別進行了黃色浮巖火山玻璃，氣孔內(nèi)充填物和灰色浮巖火山玻璃測試。

另外，X射線熒光光譜分析(X Ray Fluorescence，簡稱XRF)是一項有效檢測巖石與土壤組成的快捷方法，但檢測精度有限(～5%)。黃色浮巖成因主要與火山玻璃的弱風(fēng)化淋濾相關(guān)，成分變化量微小，XRF檢測兩種顏色浮巖組成未見區(qū)別。

3 觀測與分析結(jié)果

3.1 野外剖面觀察

野外對天文峰和黑石溝兩個剖面進行細致觀察。

天文峰剖面位于長白山天池火山破火山口北側(cè)天文峰之上(圖1點T)，黃色浮巖與灰白色浮巖是此主峰的主要組成物質(zhì)。浮巖沿破火山口緣東西向約240m，平面出露面積約15000m2，厚度隨地形波動，總體在40～50m之間(圖3)。該剖面上部存在厚1～2m的千年大噴發(fā)空降浮巖，由上部灰黑色粗面質(zhì)浮巖和下部灰白色堿流質(zhì)浮巖組成，與黃色浮巖層間表現(xiàn)為直接壓蓋關(guān)系(Panetal., 2017)。剖面下部厚層灰白色浮巖直接壓蓋在錐體的粗面質(zhì)熔巖之上，表明天文峰期大規(guī)模爆炸噴發(fā)將錐體炸開，噴發(fā)物直接堆積在殘余錐體上(圖4a)。剖面中間主體部分為天文峰期噴發(fā)堆積物，上部為15～20m的黃色浮巖，浮巖粒徑最大數(shù)十厘米，除巖屑外成分相對較純，無雜質(zhì)(粘土，植物碎屑等)等混合其中，具有典型的空降浮巖堆積特征，且固結(jié)度較好。層內(nèi)可見大量的塊狀巖屑，主要為錐體部分爆炸產(chǎn)生的粗面巖碎屑，粒徑最大達數(shù)米，也有部分巖屑為造盾階段的玄武巖和基底花崗巖(圖4b)。剖面中間存在1～2m的弱過渡帶，顏色逐漸由淺黃色過渡到灰白色，浮巖與巖屑特征完全與上部黃色浮巖一致。下部為厚25～30m的灰白色浮巖，同樣浮巖粒徑與巖屑特征和上部黃色浮巖相一致，但致密性與固結(jié)度比黃色浮巖部分略好，可能與位于底部熱量封閉和壓實作用有關(guān)(圖4a)。天文峰期堆積物整體上特征一致，僅上下兩部分存在顏色的明顯差異。

圖4 天文峰期空降浮巖在不同剖面和位置的照片天文峰剖面下部灰白色浮巖(a)和上部黃色浮巖(b)； 黑石溝剖面下部灰白色浮巖(c)和上部黃色浮巖(d)，白色方塊為黑石溝內(nèi)部分全巖成分測試樣品的采樣點Fig.4 Photos of pumice fall deposit of Tianwenfeng eruption in different positions and sectionsGrey pumice fall deposit at the bottom of (a) and yellow pumice fall deposit at the upper part of (b) Tianwenfeng section; grey pumice fall deposit at the bottom of (c) and yellow pumice fall deposit at the upper part of (d) Heishigou section, white squares are the sample point for whole-rock geochemistry analysis

黑石溝剖面位于天池破火山口東15km的黑石溝內(nèi)(圖1點H)，剖面總高26m，地下開挖部分約4m。剖面底部為黑石溝期玄武巖，噴發(fā)時間測定為0.19±0.02Ma和0.18±0.05Ma(劉若新等, 1998; Panetal., 2020)。其上厚約2.6m的天文峰期空降浮巖直接壓蓋在黑石溝期玄武巖之上，固結(jié)度較弱，表明空降浮巖遠離火口后降落時溫度已相對較低，焊接能力有限。該層浮巖粒徑多為1～3cm，相比天文峰剖面浮巖粒徑明顯變小。巖屑含量與天文峰剖面一致，含有大量的巖屑，包括灰黑色的錐體粗面巖，黑色的造盾玄武巖和斑狀的基底花崗巖，多種巖屑造成剖面顏色整體混雜(圖4c, d)。巖屑粒徑相對較細，多小于1cm，表明噴發(fā)柱搬運能力已隨距離降低。天文峰期空降浮巖層內(nèi)浮巖顏色變化規(guī)律與天文峰剖面相一致，上部為黃色浮巖，厚約30～40cm(圖4d)；中間部分厚約1.2～1.5m，為黃色與灰白色浮巖共存，并可見兩種顏色共存的浮巖；下部為厚約1m的灰白色浮巖，未見混合色浮巖等的存在，保持了原始特征(圖4c)。浮巖層之上為厚約2.9m的成層性風(fēng)化堆積物，將千年大噴發(fā)空降浮巖與天文峰期空降浮巖分割開，表明兩次噴發(fā)活動之間存在長期的間斷，彌補了天文峰剖面無法將兩者分隔開的不足。黑石溝整體剖面特征與描述詳見Panetal. (2020)。

另外，剖面觀察中還發(fā)現(xiàn)單個浮巖塊內(nèi)存在顏色過渡的現(xiàn)象。圖5展示了一個大塊浮巖切割開的剖面，其采集自天文峰剖面的上部黃色浮巖堆積內(nèi)，樣品自表面至中間部分長約20cm，可見明顯的顏色自外側(cè)黃色逐漸過渡到中心的灰白色，與整體天文峰剖面上部為黃色，下部為灰白色的特征相一致。同時，浮巖內(nèi)在斑晶含量和氣孔發(fā)育特征上，也未見區(qū)別，為整體一致的浮巖，因此推測顏色的變化可能為后期風(fēng)化改造的。

圖5 天文峰剖面中黃色浮巖堆積內(nèi)的大塊浮巖大塊浮巖切割開可見外部為黃色，中芯部為灰白色，與整體剖面上部為黃色，下部為灰白色的特征一致，表明可能初始顏色一致，后期顏色逐漸發(fā)生了改變，白色方塊為測試點Fig.5 Large block of pumice from the yellow part of deposit of Tianwenfeng eruption at Tianwenfeng sectionAfter the cutting of large block of pumice, the section shows that the exterior is yellow and the core is grey, and its characteristic is consist with the whole section of Tianwenfeng eruption, indicting the whole pumice is grey at initial forming stage but change to yellow in later. White squares are the analysis points

3.2 顯微形貌觀察

野外宏觀上發(fā)現(xiàn)黃色浮巖與灰白色浮巖特征基本一致，室內(nèi)進一步通過顯微觀察尋找顏色變化的原因。首先，偏光顯微鏡下對兩種顏色浮巖的巖石薄片進行了觀察，發(fā)現(xiàn)兩種顏色浮巖結(jié)構(gòu)基本一致，氣孔大量發(fā)育，主要由纖細的火山玻璃和少量斑晶組成，表明噴發(fā)時具有大規(guī)模的爆炸性和高揮發(fā)份含量。但在火山玻璃壁或氣孔壁上，發(fā)現(xiàn)了兩者存在不同之處，如圖6a-c?；野咨r火山玻璃壁干凈，結(jié)構(gòu)清晰，鏡下主要為灰黑色(圖6a)，與千年大噴發(fā)空降浮巖特征相似；而天文峰黃色浮巖鏡下火山玻璃同樣為灰黑色，但部分邊緣模糊，附著一層弱透明蟬翼狀的黃色物質(zhì)(圖6b)；黑石溝內(nèi)黃色浮巖鏡下火山玻璃依然為灰黑色，但邊緣清晰可見一層黃色附著物，厚度從幾微米至十幾微米，附著物顏色深度和致密度大于天文峰黃色浮巖(圖6c)。通過鏡下的觀察，發(fā)現(xiàn)黃色浮巖和灰色浮巖的基質(zhì)火山玻璃特征基本一致，主要區(qū)別在于火山玻璃表面是否存在黃色附著物，因此推測黃色附著物可能是改變浮巖顏色的關(guān)鍵因素。

圖6 天文峰期內(nèi)兩種顏色浮巖鏡下的顯微形貌與特征(a)天文峰剖面灰白色浮巖：火山玻璃呈現(xiàn)灰黑色，邊緣清晰；(b)天文峰剖面黃色浮巖：火山玻璃同樣為灰黑色，但邊緣模糊并呈現(xiàn)黃色；(c)黑石溝剖面黃色浮巖：火山玻璃依然為灰黑色，但可在邊緣或氣孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)明顯的黃色附著物；(d)天文峰剖面灰白色浮巖BSE圖像，可見火山玻璃邊緣清晰，無附著物；(e)天文峰剖面黃色浮巖BSE圖像，火山玻璃壁上可觀察到1～3μm的鋸齒狀附著物；(f)黑石溝剖面黃色浮巖BSE圖像，在火山玻璃壁上或氣孔內(nèi)明顯可見一層附著物Fig.6 Micromorphology and characteristics of yellow and grey pumice from the Tianwenfeng eruption using the binocular microscope and electron microprobe(a) the grey pumice from the Tianwenfeng section exhibits the black glass with clear edge; (b) the yellow pumice from the Tianwenfeng section exhibits the black glass but with yellow blurry edge; (c) the yellow pumice from the Heishigou section also exhibits black glass but with obvious yellow attachments along the glass or pores; (d) the BSE image of grey pumice from the Tianwenfeng section exhibits the clear edge of glass without attachments; (e) the BSE image of yellow pumice from the Tianwenfeng section exhibits thin attachments layer adhere to the wall of glass; (f) the BSE image of yellow pumice from Heishigou section exhibits obvious attachments adhere to the wall of glass and pore

進一步的電子探針BSE圖像觀察也表明，灰白色浮巖的火山玻璃壁邊緣界線清晰，無附著物等雜質(zhì)，氣孔內(nèi)也未見充填物(圖6d)；天文峰黃色浮巖的火山玻璃主體與灰白色浮巖相似，但局部邊緣可見一層厚約1～3μm的附著物，附著物呈鋸齒狀較均勻的分布在部分玻璃壁上，氣孔內(nèi)未見明顯的填充物質(zhì)(圖6e)；而黑石溝內(nèi)黃色浮巖的火山玻璃主體未見明顯變化，但在火山玻璃壁上可見明顯一層厚3～7μm的附著物，局部氣孔壁上富集厚度達十余微米(圖6f)?；贐SE圖像觀察，進一步證實了火山玻璃是否存在黃色附著物是黃色和灰色浮巖的主要差別。

3.3 全巖成分測試

形貌觀察發(fā)現(xiàn)火山玻璃壁上附著一層黃色物質(zhì)，其可能是造成浮巖顏色不同的重要因素，但物質(zhì)的組成與形成機制仍未知，因此進一步的成分測試試圖尋找顏色變化的原因與機理。

全巖成分測試共選取10塊巖石樣品，5塊浮巖樣品自上向下取自天文峰剖面，包括4塊黃色浮巖，1塊灰色浮巖(圖3，表1中T1-T5)；另外5塊浮巖樣品取自黑石溝剖面，同樣為自上而下4塊黃色浮巖，1塊灰色浮巖(圖4，表1中H1-H5)；測試結(jié)果見表1與圖7?？傮w上，黑石溝剖面對應(yīng)位置成分相比天文峰剖面存在低硅低鈉而高鋁高鈣的特征(圖7a, b)，同時燒失量和化合水(H2O+)含量也較高(圖7c)，表明黑石溝剖面整體受后期風(fēng)化淋濾作用大于天文峰剖面。而在同一剖面中，也發(fā)育有明顯的規(guī)律性，頂部向下硅含量逐漸增高，而鋁含量卻逐步下降(圖7a)，分析認為這與自然風(fēng)化規(guī)律相一致，硅由于易與水結(jié)合形成硅酸析出而在淋濾中被帶走，造成上部的浮巖中硅含量降低。而鋁、鐵和鈣元素屬于不易活動元素，易于富集而造成上部浮巖中含量升高(Middelburgetal., 1988; Kawano and Tomita, 1992; Hiradate and Wada, 2005)。其他元素的變化特征基本上呈相似規(guī)律，符合自然風(fēng)化的特征。

表1 天文峰期噴發(fā)堆積物全巖主量(wt%)與微量(×10-6)元素分析結(jié)果

圖7 位于天文峰剖面和黑石溝剖面的天文峰期噴發(fā)堆積物全巖成分投圖樣品取自天文峰剖面和黑石溝剖面的天文峰期噴發(fā)堆積物，自頂向下各取5塊樣品，全巖的主微量成分測試結(jié)果表明存在一定的變化趨勢和不同之處，整體上黑石溝浮巖受風(fēng)化淋濾影響大于天文峰剖面，同時剖面上部的風(fēng)化淋濾程度大于下部浮巖，但整體上天文峰期噴發(fā)堆積物處于風(fēng)化淋濾作用的初期階段.(a) SiO2-Al2O3；(b) CaO-Fe2O3；(c) H2O-LOI；(d) Ba-Ti；(e) Ni-Cu；(f)全巖的球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)；圖a, b數(shù)據(jù)已去除揮發(fā)份和H2O并標準化至100%Fig.7 Plot of geochemistry of whole rock for the deposit of Tianwenfeng eruption at Tianwenfeng and Heishigou sectionThe samples were collected from top to bottom in the deposit of Tianwenfeng eruption at Tianwenfeng and Heishigou section. The geochemical results of whole rock show the changing trend from top to bottom at different section. As a whole, the pumice at Heishigou section was more affected by weathering and leaching than the pumice at Tianwenfeng section, meanwhile the top of deposit was more affected than the bottom, however, the deposit including yellow pumice is still in the initial stage of weathering and leaching. (a) SiO2 vs. Al2O3; (b) CaO vs. Fe2O3; (c) H2O vs. LOI; (d) Ba vs. Ti; (e) Ni vs. Cu; (f) chondrite-normalized REE diagrams of the whole rock for Tianwenfeng eruption (normalization values after Sun and McDonough, 1989); Data in Fig.7a, b were normalized to 100%

全巖微量元素表現(xiàn)出的特征與主量元素特征相一致，同樣展現(xiàn)出黑石溝內(nèi)剖面風(fēng)化程度高于天文峰剖面。在Ba-Ti分布圖上，雖然天文峰剖面存在黃色浮巖比灰色浮巖相對富集的特征，但黑石溝內(nèi)黃色浮巖相比更加具有富Ba與Ti的特征，這兩種穩(wěn)定元素的富集表明經(jīng)歷了一定的風(fēng)化作用(段國正等, 2003)(圖7d)。同樣在Ni-Cu分布圖上，也可以發(fā)現(xiàn)重金屬的富集效應(yīng)，上部經(jīng)受風(fēng)化淋濾作用的黃色浮巖大于底部的灰白色浮巖(圖7e)。而稀土元素配分曲線呈現(xiàn)出基本一致特征，表明黃色浮巖與灰白色浮巖主要成分未發(fā)生明顯變化，僅經(jīng)歷了較弱的風(fēng)化淋濾作用，處于自然風(fēng)化的初期階段(Middelburgetal., 1988; 馬英軍等, 1999; 韓春蘭等, 2017)(圖7f)。

3.4 原位微區(qū)成分測試

原位微區(qū)成分測試是利用電子探針(EPMA)和激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)對火山玻璃和附著物進行主微量成分的測試。測試樣品共分為三組，分別為天文峰上大塊浮巖的內(nèi)部灰白色部分和外部淺黃色部分，天文峰上部黃色浮巖與下部灰白色浮巖，和黑石溝內(nèi)黃色浮巖與灰白色浮巖(表2、圖8)。由于天文峰剖面黃色浮巖附著物厚度過薄(僅1～3μm)，未能進行有效的設(shè)點測試，僅測試了黑石溝內(nèi)火山玻璃附著物。測試結(jié)果的分析以天文峰剖面下部的灰白色浮巖為參照，發(fā)現(xiàn)天文峰上部黃色浮巖部分的火山玻璃SiO2基本保持不變，略微呈現(xiàn)出高鈣、高鋁的特征，但整體變化較小(圖8a, b)。同時對大塊浮巖內(nèi)部灰白色部分和外部黃色部分的火山玻璃成分測試表明內(nèi)外一致，說明弱風(fēng)化作用未造成天文峰上火山玻璃內(nèi)元素的明顯遷移。黑石溝內(nèi)灰白色浮巖與天文峰黃色浮巖基本一致，表明雖然仍為灰白色，但依然受到較弱的風(fēng)化淋濾影響。而黑石溝上部黃色浮巖的成分出現(xiàn)了一定的變化，且部分元素與壁上的附著物呈現(xiàn)出互補特征，如火山玻璃的SiO2略高而Al2O3略低，Si/Al比值約為7，而附著物明顯的低SiO2而高Al2O3，Si/Al比值僅為1～2(圖8c)，同樣在CaO、TiO2等元素上具有相似特征。但FeO的含量上出現(xiàn)了均明顯升高的特征，分析認為可能與鐵的弱活動性有關(guān)，在析出和沉淀中都形成了富集，即在火山玻璃中Fe相對析出較少形成富集，而析出部分又由于不溶于水就近附著在火山玻璃壁上，在附著物中也相對富集(Kawano and Tomita, 1992; Hiradate and Wada, 2005)。另外，黃色浮巖內(nèi)附著物的電子探針測試成分總量多為50%～85%之間(見表2中AMM測點數(shù)據(jù))，表明其內(nèi)含有大量的水，而水與氧化鐵結(jié)合形成的水合物多呈黃色，這可能是附著物呈現(xiàn)黃色的主要原因。

圖8 天文峰期空降浮巖內(nèi)火山玻璃和附著物的EPMA和LA-ICP-MS測試結(jié)果投圖對大塊浮巖內(nèi)側(cè)灰白色部分(LA-In)與外側(cè)黃色部分(LA-Out)，天文峰剖面下部灰白色浮巖(TWF-G)與上部黃色浮巖(TWF-Y)，黑石溝剖面下部灰白色浮巖(HSG-G)，上部黃色浮巖(HSG-Y)與火山玻璃壁附著物(AMM)分別進行了電子探針(EPMA)的主量元素測試和LA-ICP-MS的微量元素測試.測試結(jié)果揭示了火山玻璃內(nèi)各元素在含水環(huán)境下的析出與沉淀過程.(a) SiO2-Al2O3；(b) CaO-FeO；(c) TiO2-Si/Al；(d) Ti-Y；(e) La/Yb-Ce；(f)火山玻璃與附著物的球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Plot of the geochemistry for the glass and attachments of the deposit of Tianwenfeng eruption determined by EPMA and LA-ICP-MSThe samples, including the inner (LA-In) and outer (LA-Out) of large pumice from Tianwenfeng section, the grey pumice (TWF-G) and yellow pumice (TWF-Y) at Tianwenfeng section and the grey pumice (HSG-G), yellow pumice (HSG-Y) and attachments material (AMM) at Heigshigou section, were determined by EPMA and LA-ICP-MS for major and trace elements. The results reveal the processes of the elemental separation from glass and elemental concentration on the wall of glass. (a) SiO2 vs. Al2O3; (b) CaO vs. FeO; (c) TiO2 vs. Si/Al; (d) Ti vs. Y; (e) La/Yb vs. Ce; (f) chondrite-normalized REE diagrams of the glass and attachment material (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

LA-ICP-MS的微量元素測試輔助判斷浮巖經(jīng)歷的風(fēng)化淋濾程度。天文峰上黃色浮巖與灰白色浮巖的火山玻璃成分基本一致，未發(fā)生元素的明顯流失和富集。黑石溝中黃色浮巖與灰白色浮巖的火山玻璃成分一致，但相比天文峰浮巖發(fā)生了一定的成分變化，如Y、Ce元素含量發(fā)生了富集(Middelburgetal., 1988; 馬英軍和劉叢強, 1999)。而對于黃色浮巖內(nèi)的附著物，部分元素發(fā)生了明顯的變化，如Ti、Y和Ce等均發(fā)生了明顯的富集，但稀土元素中La/Yb比值基本不變，說明風(fēng)化程度依然較弱，未發(fā)生明顯的元素的遷移(圖8d, e)。另外，稀土元素的配分曲線展現(xiàn)出相似的形態(tài)，各類浮巖及附著物成分也均保持了一致(圖8f)，未發(fā)生明顯的元素遷移，說明黃色浮巖經(jīng)歷的風(fēng)化淋濾作用仍處于初期階段(Kawano and Tomita, 1992; Hiradate and Wada, 2005; 韓春蘭等, 2013)。

4 討論

4.1 天文峰期噴發(fā)特征

天文峰期噴發(fā)由于出露范圍有限，僅出露在天池北側(cè)天文峰之上，因此前人對此期關(guān)注和認識較少(劉嘉麒和王松山, 1982; 劉若新, 2000; 許建東等, 2013)。本文通過野外地質(zhì)調(diào)查，室內(nèi)薄片觀察和成分測試等，對天文峰期噴發(fā)有了進一步的認識。首先，野外觀察認為剖面中黃色浮巖與灰白色浮巖在粒度結(jié)構(gòu)、斑晶組成、巖屑含量與組成、以及固結(jié)程度等方面均存在一致性，且火山玻璃成分雖存微小波動，但除去風(fēng)化因素外總體仍具有一致性，因此認為黃色浮巖與灰白色浮巖應(yīng)為同一期噴發(fā)堆積產(chǎn)物。其次，對于天文峰期噴發(fā)規(guī)模，天文峰處其浮巖堆積厚度大于40m，而千年大噴發(fā)(VEI=7)最厚堆積位于西坡老虎背處約20m，相比認為天文峰期噴發(fā)規(guī)模至少不亞于千年大噴發(fā)，是一次規(guī)模巨大的爆炸式噴發(fā)活動。另外，此套浮巖直接壓蓋在天池錐體和黑石溝期玄武巖之上，認為其應(yīng)是天池火山爆炸式噴發(fā)階段的開始，再加上較高的巖屑含量和大塊圍巖存在，可判斷認為天文峰期應(yīng)是形成天池破火山口的關(guān)鍵噴發(fā)(Panetal., 2020)。最后至于噴發(fā)時代，目前存在2ka、4ka、5ka和～50ka等不同的觀點(劉若新等, 2000; Yangetal., 2014; Limetal., 2013; Sunetal., 2017)，本文未開展相關(guān)年代學(xué)測試，但從火山玻璃的風(fēng)化程度和區(qū)域(低溫)氣候特征，以及區(qū)域內(nèi)其上部覆蓋的厚層風(fēng)化堆積物推測此套噴發(fā)時代相對較老，傾向認同～50ka的噴發(fā)年齡。

4.2 浮巖顏色變化

浮巖顏色變化在爆炸噴發(fā)堆積層中是一種普遍現(xiàn)象，如千年大噴發(fā)下部為灰白色浮巖，而上部為灰黑色浮巖；意大利維蘇威火山阿韋利諾噴發(fā)(Avellino eruption, 4ka BP)堆積的浮巖下部為白色，上部為灰色；這些浮巖顏色的變化經(jīng)研究后均認為與地下層狀巖漿房相關(guān)(Balcone-Boissardetal., 2012; Panetal., 2017)。深部基性巖漿到達淺部地殼巖漿房后開始分異演化，富Si少Fe、Mg的輕質(zhì)巖漿上浮，而富Fe、Mg和礦物的巖漿下沉，逐漸形成分層的巖漿房。在噴發(fā)時，上部富Si的淺色巖漿先噴發(fā)降落，而下部深色富Fe、Mg的巖漿后噴發(fā)出而堆積在上部，形成了普遍的下部淺色浮巖，上部深色浮巖的堆積特征(Bacon and Druitt, 1988; Armientietal., 1994; 郭文峰等, 2015, 2016)。天文峰期噴發(fā)堆積也呈現(xiàn)兩種顏色，但相比下部為灰白色(深色)，上部為淺黃色(淺色)，呈現(xiàn)了相反的堆積序列特征(圖2)。而在成分測試中發(fā)現(xiàn)兩者火山玻璃成分一致，未存在明顯的巖漿分異演化特征。這些表明兩種浮巖的顏色區(qū)別不是由于巖漿作用所導(dǎo)致的。另外，在大塊黃色浮巖的中心部位依然可見殘留的灰白色特征存在(圖5)，表明后期的改變是造成顏色不同的主要原因，如風(fēng)化、淋濾或蝕變等。研究否定了浮巖顏色變化與巖漿作用的關(guān)系。進一步利用顯微形貌觀察浮巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩者的火山玻璃結(jié)構(gòu)一致，且顏色也均為灰黑色，但黃色浮巖的火山玻璃壁上粘附著一薄層黃色的物質(zhì)；相比之下，灰白色浮巖的火山玻璃邊緣清晰，未觀察到附著物，因此認為裹在火山玻璃壁上的黃色物質(zhì)是改變浮巖顏色的主要因素。通過黃色附著物的成分測試，發(fā)現(xiàn)其主要由Si、Al和Fe組成，而結(jié)晶水(H2O)含量高達20%～50%，說明黃色物質(zhì)內(nèi)存在多種水合物。Si與Al的水合物通常呈現(xiàn)白色或無色，而Fe與水的多種水合物呈黃色，如褐鐵礦(2Fe2O3·3H2O)，磁鐵礦(Fe2O3·2H2O)，針鐵礦(Fe2O3·H2O)。因此認為浮巖顏色的改變主要為含有Fe水合物的黃色物質(zhì)粘附所致，是一種風(fēng)化淋濾作用的結(jié)果(熊毅, 1937; Yokoyama and Nakashima, 2005; Schwertmann and Murad, 1983; Oguchietal., 1999)。

4.3 火山噴發(fā)堆積物在風(fēng)化淋濾初期的元素遷移特征

出露于地表的巖石均受到大自然的風(fēng)化改造，火山噴發(fā)堆積物同樣受到大自然不斷的風(fēng)化與蝕變等改造，這是一個復(fù)雜而多樣的變化過程。風(fēng)化的速率主要受溫度、降水、植被和自身特征等所控制。同一塊巖石，在溫度高、降水多，植被發(fā)育的情況下風(fēng)化速度相對快，否則反之。長白山火山地處溫帶大陸性山地氣候，具有冬季漫長凜冽，夏季短暫溫涼的特點，年均降水量達700mm，降水豐富，但多半時間被冰雪所覆蓋，整體上屬于風(fēng)化作用較弱的區(qū)域(劉若新等, 1998)。另外，長白山地區(qū)還具有明顯的山地垂直氣候變化特征，例如天文峰期堆積物在天文峰和黑石溝兩個地點的氣候各異，風(fēng)化速率也明顯不同。天文峰剖面位于山頂，海拔約2700m，每年自9月份至次年6月份被冰雪所覆蓋，7～8月份雖降水豐富，但溫度依然較低，整體風(fēng)化速度較慢(呂昕航等, 2016; 賈翔等, 2017)。而黑石溝位于山麓地帶的溝谷內(nèi)，冬春雖被冰封，但夏秋季節(jié)豐富的降水并相對的溫暖，使其風(fēng)化速度遠大于天文峰處。這在全巖成分和火山玻璃的主微量測試中得到驗證，如天文峰黃色浮巖的火山玻璃Si/Al比值(≈5)，這與灰色浮巖相比變化微小，而黑石溝內(nèi)黃色浮巖的Si/Al比值(≈7)變化明顯(圖8c)。

另外，風(fēng)化速度與堆積物自身性質(zhì)也密切相關(guān)，爆炸噴發(fā)堆積的空降浮巖氣孔大量發(fā)育，提供了較高的表面積，加速了風(fēng)化速度，但又存在大量的微氣孔形成了較好的吸附性，減弱了向下的滲透性(劉若新, 2000; 劉祥等, 2004; 許建東等, 2013)。天文峰期浮巖正是由于這種雙重風(fēng)化因素影響造成兩種顏色的區(qū)別，上部受降水風(fēng)化淋濾作用，在火山玻璃壁上形成一層黃色的水合物，呈現(xiàn)出黃色特征，而又受風(fēng)化向下推進能力的限制，使下部至今仍未遭受風(fēng)化淋濾作用，保持了原始的灰白色。由于目前對天文峰期噴發(fā)時間未知，無法算出風(fēng)化的速率，但相信隨著時間的推移，風(fēng)化淋濾作用不斷向下推進，最終天文峰期堆積物將會整體變?yōu)辄S色。

風(fēng)化中元素的遷移規(guī)律與特征可以在黃色浮巖顏色研究中窺見一斑。在降水為主要因素引起的風(fēng)化淋濾中，Si與水結(jié)合形成硅酸，而空氣中的CO2與水結(jié)合形成碳酸(H2CO3)，酸可與各類陽離子結(jié)合并將其溶出，如Al、Fe、Ca等陽離子(Dahlgrenetal., 1993; Gérardetal., 2007)。這一過程中雖然酸有限且析出緩慢，但日積月累不斷的作用將最終使部分元素析出并沉淀下來(張秉良等, 2006, 2008)。顯微形貌觀察和微量元素配分曲線等綜合判定天文峰期黃色浮巖屬于風(fēng)化的初期階段，但依然可見元素析出與元素沉淀兩個階段的特點。通過火山玻璃的EPMA和LA-ICP-MS分析，發(fā)現(xiàn)黃色浮巖相比灰白色浮巖存在Al、Ca、K元素的減少，而Fe、Pb等金屬元素出現(xiàn)了富集，說明元素的析出能力與元素自身的活動能力有關(guān)。而火山玻璃附著物的成分測試發(fā)現(xiàn)，Si、Na和K明顯減少，而Ca、Al、Fe和Ti明顯增多，這與元素和水的相容性相關(guān)，易溶于水的元素被水帶走，而難溶的元素留下附著在火山玻璃壁上沉淀下來(Gérardetal., 2007; Moriizumietal., 2009; 南云等, 2016)。其中Fe的沉淀富集形成三氧化二鐵水合物(黃色)，與Al和水形成的凝膠狀水合物(白色)混合構(gòu)成了黃色物質(zhì)粘附在火山玻璃壁上，改變了原本灰白色浮巖的顏色，形成了黃色浮巖(Yokoyama and Nakashima, 2005; Schwertmann and Murad, 1983; Oguchietal., 1999)。這種由于后期風(fēng)化淋濾作用而改變原始色所形成的黃色，應(yīng)被歸為次生色。

5 結(jié)論

本文針對天文峰期堆積浮巖中的黃色浮巖顏色成因問題進行了野外地質(zhì)、顯微形貌和地球化學(xué)等系統(tǒng)研究，主要獲得的認識有：

(1)天文峰期噴發(fā)為一次大規(guī)模的爆炸式噴發(fā)，是天池火山爆炸式噴發(fā)階段的開始，也是形成天池火山破火山口的關(guān)鍵噴發(fā)活動。此次噴發(fā)中巖漿性質(zhì)均一，未發(fā)現(xiàn)巖漿混合和轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，且未發(fā)現(xiàn)噴發(fā)間斷現(xiàn)象。

(2)天文峰期黃色浮巖在堆積初始應(yīng)為灰白色，與下部現(xiàn)存灰白色浮巖一致，但后期受降水與積雪融水的風(fēng)化淋濾作用，形成了一層富含三氧化二鐵水合物(Fe2O3·nH2O)的黃色凝膠狀物質(zhì)，粘附在火山玻璃壁上造成浮巖顏色變?yōu)辄S色。目前，天文峰期堆積物處于風(fēng)化淋濾作用的初期階段，推測未來隨著風(fēng)化淋濾作用的不斷向下發(fā)展，整套堆積物將來可能均為黃色。

(3)在風(fēng)化淋濾過程中元素的遷移存在一定的規(guī)律性。浮巖的風(fēng)化淋濾可分為兩個過程，即析出和沉淀。析出為元素從浮巖中的火山玻璃內(nèi)移出，這與元素自身活動性有關(guān)，如Si、Al、Ca和K等元素易于析出；沉淀作用與水的溶解度相關(guān)，易溶于水的元素多流失而含量變低，反之難溶的富集形成沉淀層，其中Al與Fe由于難溶于水而成為富集元素，并造成了浮巖顏色的改變。