天池火山物理過程的研究進展

劉芳娜

摘要：從時空布局和巖漿物理過程兩個方面綜合分析了當今關于長白山天池火山物理過程的最新研究成果和存在的問題，著重研究了非平衡理論對研究火山噴發過程的重要性。

關鍵詞：天池火山;粗面巖;非平衡

中圖分類號：P317

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0058-02

1 引言

長白山天池火山是中國境內最大規模的火山，其噴發具有多期次、大規模和長歷史的特點[7]。前人已對長白山天池的火山活動開展了多方面的研究工作，取得了一定的研究進展，盡管對千年大噴發的具體噴發年代存在爭議，但長白山地區天池火山是中國最具有噴發潛在危險的現代活火山已達成一致。目前，長白山火山下方殘留著高溫巖漿房，且近幾年在長白山天池地區存在水熱活動及土壤微滲漏等噴發前期現象。一旦長白山天池火山噴發，將會給其周邊地區的人民帶來生命危險，帶來不可預估的災難，因此對長白山天池火山噴發機制和巖漿運移和演化過程的研究具有非常重大的意義。

2 長白山天池火山的時空分布

目前，國內外的學界對巖漿混合的研究大多集中在野外地質和巖石地球化學上，對巖石地球物理的研究相對較少。天池火山的噴發活動主要經歷了三個階段：早期造盾階段、中期造錐階段和晚期造伊格尼姆巖等3個階段[5]。天池火山粗面巖錐形成于早更新世至晚更新世，錐體主要由多階段厚層狀粗面巖和堿流巖及其火山碎屑巖組成，晚期出現比較多的是堿流質巖漿噴發，爆發相比例也有所增長[7]。金伯祿等則詳細地描述了整個火山錐的巖石，他們根據噴發時代和噴發間歇形成的粘土質風化層。魏海泉把天池火山造錐噴發過程劃分為4個階段，將巖漿演化劃分為早晚兩個旋回，分別進行了演化特點和規律的闡述，并明確了天池火山地層結構。并且認為噴發物巖的漿成分逐漸富集酸性端元，爆破性噴發強度也逐漸增大。在天池火山第一和第三造錐階段，至少有過三次的巖漿混合事件，第一造錐階段以粗面質巖漿與粗面質巖漿的混合為主，而第三造錐階段除了有粗面質巖漿與粗面質巖漿的混合作用之外，還有玄武質巖漿與粗面質巖漿的混合作用。

3 長白山天池火山的巖漿系統

巖漿系統的研究是火山噴發機制的一個關鍵方面，火山巖漿系統的研究可以理解巖漿上侵、存儲和噴發的過程，是降低火山災害和預測未來噴發研究的基礎。因為只有弄清地下巖漿就位深度，存儲區物性成分等參數后才能建立和預測火山噴發模型。而目前學界對天池火山巖漿系統的認識主要依賴于地球化學的測量結果，地球物理方法大多還停留在平衡理論，不能明確分析出巖漿體的成分以及巖漿的演化過程[12]。

國際上，Caroline Martel對法國中央高原的粗面巖相和巖漿儲存條件的關系做了深入研究，通過野外獲取的巖石學數據與實驗數據（溫度和氧逸度、壓力、揮發分）進行對比，得出了存儲在CDP火山下的粗面質巖漿房的預爆發條件以及不同的堿性巖漿的相關系大約在200～400 MPa。魏海泉等深入分析火山深部巖漿柱構造、造盾玄武巖源區的熔融與停止過程等，探討了酸性地殼巖漿房尺度、形狀與巖漿超壓控制的噴發規模、巖漿房頂部巖墻傳導與噴發周期及巖漿柱內天池火山作用等問題。樊祺誠等討論了天池火山粗面玄武巖的噴發歷史和巖漿演化過程，在巖漿演化過程中巖漿的結晶分異作用是形成天池火山具有雙峰式火山巖分布特征的原因，而演化過程中的巖漿混合作用（地幔中的玄武質巖漿注入了地殼巖漿房，導致地殼巖漿分層結構受到擾動）則觸發了千年大噴發。王璞珺等針對目前對于火山地層學和火山架構的研究較少的現象，系統而詳細地分析了長白山火山噴出物特點，構建了長白山火山地層單元體系和火山架構類型，并討論了長白山火山地層和架構與火山災害的關系，為長白山火山研究拓寬了新的研究方向。李霓等針對火山噴發物中的礦物成分、結構和包裹體等深入研究，討論了長白山天池巖漿演化。郭文峰等討論了長白山天池火山粗面巖的成因以及巖漿房的系統演化，認為天池火山粗面巖不可能由古老的華北克拉通下地殼部分熔融形成，也不符合造盾玄武巖部分熔融的模式。粗面巖是由進化玄武質巖漿（玄武粗安巖）經歷了分離結晶作用所形成，粗面巖形成過程中巖漿遭受了地殼混染，并且具有高n（87Sr）/n（86Sr）和低n（87Sr）/n（86Sr）兩種截然不同的混染趨勢。孫春強等討論了天池火山造錐粗面巖新的K- Ar年齡，認為天池火山東北坡造錐粗面巖層序明顯新于北坡造錐層序。巖漿的結晶分異作用和混合作用是天池火山巖漿演化的兩個最重要的過程。巖漿中礦物的結晶過程實際上是硅酸鹽系統相反應的過程。因此，實驗巖石學的研究對理解巖漿礦物的結晶作用有重要意義。

經典的相圖研究曾一度成為巖石學領域研究的主要工具，但當體系中相成分超過三相，或者體系的熱動力變量（溫度、壓力、水含量等）較多時，用相圖研究非常不便。而用相律反應的動力學方程便可用來描述巖漿中的硅酸鹽系統相反應過程。而知道了某地區火山巖結晶演化趨勢，也可以反推其巖漿演化過程的熱動力條件[12]。距今約lMa，伴隨著天池火山粗面巖的造錐過程，粗面玄武巖漿持續不斷地從地幔巖漿房直接噴發出來，主要以小規模、中心式噴發為主。在松花江上游的頭道白河和二道白河河谷粗面玄武巖漫延10km余，且噴發越晚的粗面巖巖石成分硅、堿含量更高，不斷向堿流巖演化。而郭文峰等通過熱力學模擬實驗得出天池火山玄武巖不能在巖石圈地幔或更深處分離結晶斜長石。造盾低Mg0玄武巖的主體演化是在地殼中進行，而在地幔中只經歷少量橄欖石的分離結晶，而粗面質巖漿是由堿性玄武巖在15～18 km結晶分異形成。天池火山巖漿系統可能要比先前認為的殼幔雙層巖漿房模式復雜。玄武巖可以在地殼中甚至是中上地殼駐留演化，且天池地殼巖漿系統主體應該為玄武質巖漿，酸性巖漿只占很小的比例[12-15]。

4 結語

縱觀宇宙中各種各樣的系統，都存在著平衡和非平衡狀態以及差異協同過程，大都經歷著從平衡到不平衡，再到新的平衡的周期運動和發展過程。在地質上非平衡的現象很多，但關于非平衡方面的研究相對較少，特別是從地球物理的角度研究。因此，本研究從非平衡熱力學理論和流體動力學理論來揭示巖漿混合作用，從非平衡巖相結構來反演巖漿混合作用，并將巖漿混合作用與研究區域空間展布相結合，揭示巖漿混合對巖漿成分的改變以及火山噴發機制有非常重要的意義。

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