內蒙古阿魯科爾沁旗新民組“豆狀”凝灰巖巖石學特征及成因探討

鐘　輝，郜曉勇，伍　月中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽110034

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內蒙古阿魯科爾沁旗新民組“豆狀”凝灰巖巖石學特征及成因探討

鐘輝，郜曉勇，伍月
中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽110034

內蒙古阿魯科爾沁旗新民組出露有“豆狀”凝灰巖，其中含“火山豆”（火山灰球）65%左右.“火山豆”發育同心韻律環帶構造，有的發育有玻璃質邊，有的可見長石晶屑嵌入其邊緣，填隙物中可見有長石晶屑聚集現象.通過分析巖石結構及碎屑成分特征，認為“火山豆”凝灰巖是火山噴發過程中，由熾熱的高能量高密度火山灰涌流向外遷移并伴隨大氣降水共同作用形成.

火山豆；凝灰巖；巖石學特征；阿魯科爾沁旗地區；內蒙古

“火山豆”（火山灰球）是一種較特殊的火山碎屑物，是陸相爆發式火山活動的產物［1］.已有的文獻表明火山灰球可存在于火山碎屑流及涌流相堆積物中［2-3］，但對“豆狀”凝灰巖的巖石學特征，特別是顯微鏡下的微觀特征及成因卻鮮有報道.本文著重從“豆狀”凝灰巖的巖石學特征，探索性地分析其成因.

1　區域地質背景

研究區位于大興安嶺火山巖帶（Ⅱ級）呼瑪-大廟火山巖帶（Ⅲ級）南西段，阿魯科爾沁旗火山盆地之中?沈陽地質調查中心.大興安嶺成礦帶北段基礎地質綜合研究成果報告.2013.，地處內蒙古自治區東部阿魯科爾沁旗一帶.火山盆地基底為上古生界，包括上石炭統海相碎屑巖-碳酸鹽巖建造，下—中二疊統海相碎屑巖-火山巖夾碳酸鹽建造，上二疊統陸相河湖相碎屑沉積建造?沈陽地質調查中心.內蒙古1∶25萬扎魯特旗幅（L51C004001）區域地質調查（修測）項目總體設計..火山盆地中，充填地層自下而上有中侏羅世新民組（J2x）陸相酸性火山巖夾碎屑沉積巖及煤線，晚侏羅世滿克頭鄂博組（J3mk）中酸性-酸性火山巖、瑪尼吐組（J3mn）中性火山巖，早白堊世白音高老組（K1b）酸性火山巖夾碎屑沉積巖、梅勒圖組（K1m）中基性火山巖.研究區新民組不整合于晚二疊世林西組（P3ln）之上，被晚侏羅世滿克頭鄂博組不整合覆蓋.

本次研究的“豆狀”凝灰巖發育于新民組建組剖面下部層位.新民組建組剖面位于阿魯科爾沁旗北西約20 km處的新民煤礦（圖1），總體為一套含煤火山巖-碎屑巖建造.內蒙古阿魯科爾沁旗新民鄉好力保西煤窯溝中侏羅統新民組實測剖面層序自上而下為：

未見頂中侏羅統新民組三段（J2x3）15.灰白色含角礫晶屑凝灰巖　14.20 m整合接觸中侏羅統新民組二段（J2x2）14.灰綠色長石巖屑細砂巖　26.80 m 13.黑色頁巖夾煤線　36.00 m 12.灰黑色泥灰巖　3.30 m 11.灰黑色粉砂質泥巖與灰綠色粉砂巖互層　11.80 m 10.灰綠色粉砂巖　4.10 m 9.深灰色泥質粉砂巖　9.10 m 8.灰色晶屑凝灰巖　1.80 m 7.深灰色凝灰質粉砂巖　1.80 m整合接觸中侏羅統新民組一段（J2x1）6.灰褐色含角礫晶屑凝灰巖　10.20 m 5.深灰色層凝灰巖　2.90 m 4.灰白色豆狀凝灰巖　22.30 m 3.深灰色流紋質含角礫晶屑玻屑凝灰巖　4.90 m 2.深灰褐色含角礫沉凝灰巖　25.90 m 1.灰褐色流紋質晶屑凝灰巖　21.70 m未見底總厚度＞196.80 m

據巖性組合特征劃分為3個巖性段：上段（J2x3）為火山碎屑巖，局部夾火山碎屑沉積巖；中段（J2x2）火山噴發間歇期碎屑沉積巖組合，其中夾煤線或煤層；下段（J2x1）為火山碎屑巖，局部夾火山碎屑沉積巖，發育層凝灰巖及豆狀凝灰巖，豆狀凝灰巖厚度達到22.3 m.

圖1　豆狀凝灰巖產出位置示意圖Fig.1　Sketch map showing the position of pisolitic tuff

2　豆狀凝灰巖的巖石學特征

圖2　豆狀凝灰巖手標本特征Fig.2　Hand specimen of pisolitic tuff

圖3　“火山豆”的同心層狀韻律層Fig.3　Concentric layered rhythmic texture of volcanic pisolite

豆狀凝灰巖手標本呈灰色或灰綠色，由“火山豆”（火山灰球）（65%）及膠結物（35%）組成（圖2）.“火山豆”多呈圓狀或橢圓形，邊緣較圓滑，少部分有破碎形態，呈條形或不規則扇形，其長軸直徑在2～10 mm之間，長短軸比在0.57～0.83之間，且長軸略顯定向.顯微鏡下可見“火山豆”內部具同心層狀構造.同心層有兩個特征：①因火山灰的顏色、粒度差異而形成的韻律層（圖3），即同心層由內至外火山灰粒度呈粗細相間變化；②同心層只有內外兩層，表現為火山灰粒度內粗外細的特征（圖4）.個別的“火山豆”邊界略顯火焰狀，內部顏色較淺，成分為細的火山灰，外部顏色較深呈暗褐色，成分為玻璃質（圖5）.各種“火山豆”的內核成分主要為火山塵，其次為少量的細小晶屑、巖屑、玻屑.晶屑呈棱角狀，成分為斜長石及石英，粒徑0.02～0.13 mm.巖屑呈次圓狀，成分為流紋巖及凝灰巖，粒徑0.03～0.12 mm.玻屑形態以彎曲條狀為主，少量凹面三角形，脫玻為長英質霏細狀隱晶集合體.火山塵成分為鱗片狀黏土礦物及長英質隱晶集合體.

圖4　“火山豆”分內外兩層同心層Fig.4　Inner and outer concentric layers of volcanic pisolite

“火山豆”之間的填隙物由巖屑、晶屑、玻屑及火山灰組成.巖屑粒徑0.5～2.0 mm，呈次棱角狀、次圓狀，成分為玄武巖（間隱結構）、玄武安山巖（間隱-交織結構）、閃長玢巖、流紋巖.晶屑成分以斜長石為主，少量鉀長石及石英.大部分斜長石晶體兩個邊緣較平直，但棱角處有磨圓.斜長石晶屑分布不均勻，有局部相對集中的現象（圖6）.偶見斜長石晶屑小部分嵌入“火山豆”邊部，使“火山豆”內部的同心紋層變形（圖7）.部分斜長石晶屑內部有裂紋或整體碎裂，但有“裂而不離”的特征.斜長石晶屑聚片雙晶紋較細密，部分可見鈉長-肖鈉復合式雙晶，測⊥（010）晶帶，Np'?（010）= 10°，An=23，成分為更長石，部分斜長石晶屑表面被絹云母鱗片星散交代，斜長石晶屑粒徑0.4～2.4 mm.鉀長石晶屑呈次棱角狀，少量邊緣略磨圓呈渾圓形，或被熔蝕呈港灣狀，有微裂紋，成分為條紋長石，條紋呈補片狀，晶屑粒徑0.4～1.6 mm.石英晶屑呈圓狀、次棱角狀，邊緣被熔蝕呈港灣狀，粒徑0.2～0.7 mm.玻屑呈凹面三角形、彎曲條形、桿狀，脫玻為粒狀石英或鱗片狀黏土礦物.火山灰充填于巖屑、晶屑及玻屑之間，為隱晶褐鐵質成分及黏土礦物.

圖5　“火山豆”外層為玻璃質成分Fig.5　Vitreous component in outer layer of volcanic pisolite

圖6　“火山豆”之間晶屑成分較集中Fig.6　Crystal fragments concentrated in between volcanic pisolites

圖7　長石晶屑嵌入“火山豆”中Fig.7　Feldspar crystal fragments filled in volcanic pisolites

3　豆狀凝灰巖的成因探討

3.1“火山豆”的成因

“火山豆”（volcanic mud ball）又稱火山泥球、火山灰球、火山豆石、增生火山礫［2-4］.其成因可能為以下3種情況：①在火山爆發時伴隨降水，上涌的細火山灰流與下落的雨滴相互作用，雨滴作為凝聚介質，在雨滴降落過程中，火山灰圍繞雨滴一層層增大而形成小圓球，同時受巨大的火山氣流涌托，“小圓球”被上下振拋并旋轉，而形成層帶狀韻律，成巖后被上覆沉積物壓實，可呈橢圓形、扁豆狀，且長軸具有方向性；②火山碎屑圍繞一個質點，借助風力或斜坡在疏松的火山碎屑堆積物表面滾動增大所致；③火山爆發產生的蒸氣冷卻變成水滴，遇細的火山灰沿斜坡與其他火山碎屑物一起以湍流的形式旋轉滾動而成.結合上述特征，本文所述的“火山豆”的特征形成過程可能為火山噴發過程中火山灰涌流與巖漿蒸氣冷卻的水滴或大氣降水相互作用的結果.

據新民組的剖面層序分析，新民組下段的層序組合特征表明其火山噴發至少含3次韻律性噴發，且每個噴發韻律都是由爆發相的粗火山碎屑巖向上變為空落相凝灰巖.含本文所述的“豆狀凝灰巖”所在的火山噴發韻律，自下而上為深灰色流紋質含角礫晶屑玻屑凝灰巖→灰白色豆狀凝灰巖→深灰色層凝灰巖，而以灰白色豆狀凝灰巖的厚度較大，可達22 m，反映當次火山噴發的晚期，火山噴發以強烈的噴出火山灰涌流為特征.

熾熱的高能量、高密度火山灰涌流（含晶屑、巖屑、玻屑、火山灰），作為熾熱高密度湍流，自火山噴發中心或火山口向外遷移過程中，加上降水作用，形成火山灰的凝聚質點，在火山熱氣底浪的推動下，作湍流運動，火山灰凝聚質點做上下翻滾運動逐漸增大，形成環帶層狀韻律構造，并隨遠離火山噴發中心而火山灰粒級變小，形成具同心層狀韻律層（圖3）特征的“火山豆”凝灰巖.火山碎屑流中最高溫度可達715～1000℃［3］，少量“火山豆”遇水淬冷，邊緣成分來不及結晶而表現為玻璃質成分（圖5）；少量“火山豆”在滾動過程中遇剛性物質，易破碎成不完整形態（圖4）.

3.2“火山豆”之間膠結物中晶屑的成因

“火山豆”之間膠結物中晶屑成分較單一，大部分為斜長石，故大部分晶屑屬于同源巖漿的產物，少量為火山通道邊緣已經固結的巖石發生崩裂而分離出來的晶體碎片.即同源巖漿攜帶少量異源碎屑噴出火山口后，大部分碎屑經過短距離的搬動，邊緣略磨圓，少量異源碎屑發生熔蝕，反映出少量晶屑來源于火山巖中斑晶的特征［5-7］.另有少量晶屑在噴出過程中受氣浪的沖擊作用顯示微碎裂特征，但只體現裂紋或裂開，碎塊之間無明顯位移，具“裂而不離”特征.鉀長石晶屑呈次棱角狀，少量邊緣略磨圓呈渾圓形，或被熔蝕呈港灣狀，具有同源晶屑與異源晶屑的雙重特征.如前所述，在顯微鏡下見“火山豆”之間填隙物中有長石晶屑集聚現象，晶屑經過短距離的搬運后，能量消耗殆盡，受重力分選作用，局部相對較集中.

3.3豆狀凝灰巖的成因

綜合上述特征的分析，豆狀凝灰巖的形成與火山灰涌流及相伴的大氣降水共同作用有關.熾熱的高能量、高密度火山灰涌流，夾雜著同源晶屑與少量異源碎屑，自火山口向外遷移的過程中，遇降水作用，形成火山灰的凝聚質點，在火山熱氣底浪的推動下作湍流運動，火山灰凝聚質點上下翻滾運動逐漸增大，形成“火山豆”的環帶層狀韻律構造.隨著火山灰涌流自火山噴發中心向外運動，能量逐漸耗散，半凝固狀態“火山豆”經過短距離的搬運，與晶屑一起落入沉積盆地中.由于重力分選作用，長石晶屑有局部相對集中的現象.當半凝固狀態的“火山豆”滾動落入沉積盆地中，遇堅硬的長石晶屑，使長石晶屑部分嵌入“火山豆”的邊緣，或“火山豆”在滾動的過程中遇堅硬的物質也會出現類似的現象.

［1］陶奎元.火山巖相構造學［M］.南京：江蘇科學技術出版社，1994.

［2］謝家瑩.火山碎屑涌流堆積與涌流凝灰巖［J］.火山地質與礦產，1996，17（21）：94—96.

［3］劉洋.當代火山噴發碎屑堆積物的研究進展及主要類型［J］.世界地質，1996，15（1）：1—6.

［4］王德滋，周新民.火山巖巖石學［M］.北京：科學出版社，1982.

［5］常麗華，曹林，等.火成巖鑒定手冊［M］.北京：地質出版社，2009.

［6］徐夕生，邱儉生.火成巖巖石學［M］.北京：科學出版社，2010.

［7］武漢地質學院巖石教研室.巖漿巖巖石學［M］.北京：地質出版社，1980.

Discussion on petrology and genesis of the pisolitic tuff in Xinmin Formation in Ar Horqin Qi, Inner Mongolia

ZHONG Hui,GAO Xiao-yong,WU Yue
Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110032,China

The pisolitic tuff,occurring in the Xinmin Formation in Ar Horqin Qi,Inner Mongolia,contains 65%of volcanic pisolites（or volcanic mud balls）.The volcanic pisolites are developed in concentric layered rhythmic texture, some of which are filled with feldspar crystal fragments around the pisolites.By analyzing the characteristics of texture and component of crystal fragments,it is considered that the pisolitic tuff is evolved from the flowing hot volcanic ash with high-energy and high-density,accompanied with atmospheric precipitation during volcanic eruption.

volcanic pisolite;tuff;petrologic characteristics;Ar Horqin Qi;Inner Mongolia

1671-1947（2016）02-0121-04

P588.14

A

2016-03-14；

2016-04-13.編輯：張哲.

中國地質調查局項目“松遼盆地外圍深部地質調查”（編號1212011220242）；“內蒙古1:25萬扎魯特旗（L51C004001）幅區調修測”（編號1212011120670）.

鐘輝（1964—），女，教授級高級工程師，主要從事巖石學及礦物學研究工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區黃河北大街26甲3號，E-mail//2418734955@qq.com