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J. Volcanol. Geoth. Res.:長白山天池火山晚更新世以來噴發序列的建立

2020-06-10

長白山天池火山位于中國東北的中朝邊界線上,是我國最具潛在噴發危險的一座大型復合式活火山。由于噴發歷史與噴發特征對于未來災害預測和理解火山活動機理具有重要的意義,因此前人開展了大量的工作,但由于當時火山學理論與測試技術的限制,至今仍未能建立可靠的噴發序列。

中國地震局地質研究所活動火山與災害研究室潘波副研究員與合作者,通過十余年的野外考察和室內測試工作,重新認識了天池火山各期噴發物的堆積與分布特征,并結合史料,建立了天池火山晚更新世以來的噴發序列。首先,根據地層關系是建立噴發序列最基礎證據的認識,野外開展了數百個點的考察,并選取了天文峰、黑石溝和園池等地進行了探槽的開挖,獲取了天池火山爆炸式噴發階段的堆積序列,識別出的天池火山晚更新世以來主要存在三期噴發活動,分別是以黃色浮巖為特征的天文峰期(TWF)、泡沫熔巖噴發的氣象站期(QXZ)和著名的千年大噴發期(細分為堿流質階段(GMEcom)和粗面質(GMEtr)兩部分)。另外,日本海等地鉆孔中火山灰資料為進一步確定天池火山的噴發期次提供了遠緣證據。

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長白山天池火山區地層對應關系與主要測年結果

    不同剖面中識別出的火山噴發物對應關系除依據上下層序外,地球化學與年代學數據是重要的輔助判定資料。如采集自天文峰、黑石溝、園池與日本海的黃色浮巖在火山玻璃的主微量成分上基本一致,且與其他噴發的成分存在明顯區別,則可進一步確定這是同一期噴發的產物(下圖A)。而年代學數據同樣可判定噴發期次與范圍,如氣象站期噴發,在天文峰附近獲碳化木年齡~8ka,而園池與日本Suigetsu湖的火山灰年齡也為~8ka,且成分一致,從而判斷氣象站期噴發為~8ka,且噴發物遍布東北亞(Sun et al., 2018; McLean et al., 2018)。

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天池火山晚更新世以來噴發物的火山玻璃與輝石主量元素(EPMA)成分及特征

根據野外地層剖面、地球化學、年代學和史料,該文對天池火山取得的主要新認識包括:

(1)如今美麗天池形成于約5萬年的天文峰期爆炸噴發中,依據:(a)天文峰期為天池爆炸式噴發的首次大規模噴發活動,直接壓蓋在錐體之上和區域玄武巖臺地上;(b)堆積物內巖屑含量高,大塊圍巖大量存在,為首次錐體被炸開所造成;(c)天池內側發現千年大噴發之下厚層湖相堆積,說明千年大噴發前天池已存在,且此前大規模噴發僅為天文峰期。

(2)千年大噴發的進一步厘定。此前將千年大噴發厘定到公元946年晚期,本文通過野外地質和史料進一步確定為堿流質噴發階段是公元946年11月3日,粗面質階段是公元947年2月7日,依據:(a)地層剖面中兩種成分在平坦區直接壓蓋未存在間斷,而在溝谷內可見快速堆積的火山泥石流夾層,在碎屑流之上可見同沉積火山灰降落夾層,說明兩階段噴發時間緊挨但存在短期間隔;(b)近年在日本火山灰的研究發現千年大噴發堿流質火山灰(GMEcom)主要分布在日本中南部,而粗面質火山灰(GMEtr)分布在中北部和格林蘭島,這與天池錐體附近調查結果一致,堿流質空降浮巖主要位于東南側,主軸對應日本中南部火山灰,而粗面質分布在東偏北,對應日本中北部與格林蘭島的主軸方向;(c)日本史料記載,公元946年11月3日在日本南部發生了火山灰降落,而公元947年2月7日在中北部發生火山灰降落,且明確記載南部未見火山灰,這與野外調查的噴發時間短期間斷和噴發物分布特征相符。

(3)晚更新世以來噴發序列與過程:a)約5萬年前,天文峰期噴發,巨大噴發將高聳錐體破壞形成破火山口,并積水成湖;b)~8千年前,氣象站期噴發,弱爆炸式的泡沫熔巖沿錐體北坡形成5.4km長的熔巖垅,火山灰遍布東北亞;c)公元946年11月3日,千年大噴發堿流質階段,巨大噴發形成25km高的噴發柱,火山灰沿火口東南方向擴散,坍塌形成了分布廣泛的火山碎屑流,同時將天池水帶出,夾雜噴發物形成規模巨大的火山泥石流;d)公元947年2月7日,千年大噴發粗面質階段,噴發柱高21km,且具有脈沖式噴發特點,火山灰沿火口東偏北方向擴散,影響大半個北半球;e)至今仍未發現千年大噴發后的噴發物與相關證據,有關歷史噴發描述可能為火山擾動事件或其他自然現象,這與該刊同期發表的千年大噴發后天池火山未有火山灰降落的認識一致(Mclean et al., 2020)。

以上研究成果發表在國際火山學權威雜志Journal of Volcanology and Geothermal Research上(Pan B, de Silva SL, Xu JD, Liu SJ and Xu D. 2020. Late Pleistocene to Present day Eruptive history of the Changbaishan-Tianchi Volcano, China/DPRK: New field, geochronological, and chemical constraints. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 399, 106870,DOI:  10.1016/j.jvolgeores.2020.106870)


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