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J. Volcanol. Geoth. Res.:长白山天池火山晚更新世以来喷发序列的建立

2020-06-10

长白山天池火山位于中国东北的中朝边界线上,是我国最具潜在喷发危险的一座大型复合式活火山。由于喷发历史与喷发特征对于未来灾害预测和理解火山活动机理具有重要的意义,因此前人开展了大量的工作,但由于当时火山学理论与测试技术的限制,至今仍未能建立可靠的喷发序列。

中国地震局地质研究所活动火山与灾害研究室潘波副研究员与合作者,通过十余年的野外考察和室内测试工作,重新认识了天池火山各期喷发物的堆积与分布特征,并结合史料,建立了天池火山晚更新世以来的喷发序列。首先,根据地层关系是建立喷发序列最基础证据的认识,野外开展了数百个点的考察,并选取了天文峰、黑石沟和园池等地进行了探槽的开挖,获取了天池火山爆炸式喷发阶段的堆积序列,识别出的天池火山晚更新世以来主要存在三期喷发活动,分别是以黄色浮岩为特征的天文峰期(TWF)、泡沫熔岩喷发的气象站期(QXZ)和著名的千年大喷发期(细分为碱流质阶段(GMEcom)和粗面质(GMEtr)两部分)。另外,日本海等地钻孔中火山灰资料为进一步确定天池火山的喷发期次提供了远缘证据。

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长白山天池火山区地层对应关系与主要测年结果

    不同剖面中识别出的火山喷发物对应关系除依据上下层序外,地球化学与年代学数据是重要的辅助判定资料。如采集自天文峰、黑石沟、园池与日本海的黄色浮岩在火山玻璃的主微量成分上基本一致,且与其他喷发的成分存在明显区别,则可进一步确定这是同一期喷发的产物(下图A)。而年代学数据同样可判定喷发期次与范围,如气象站期喷发,在天文峰附近获碳化木年龄~8ka,而园池与日本Suigetsu湖的火山灰年龄也为~8ka,且成分一致,从而判断气象站期喷发为~8ka,且喷发物遍布东北亚(Sun et al., 2018; McLean et al., 2018)。

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天池火山晚更新世以来喷发物的火山玻璃与辉石主量元素(EPMA)成分及特征

根据野外地层剖面、地球化学、年代学和史料,该文对天池火山取得的主要新认识包括:

(1)如今美丽天池形成于约5万年的天文峰期爆炸喷发中,依据:(a)天文峰期为天池爆炸式喷发的首次大规模喷发活动,直接压盖在锥体之上和区域玄武岩台地上;(b)堆积物内岩屑含量高,大块围岩大量存在,为首次锥体被炸开所造成;(c)天池内侧发现千年大喷发之下厚层湖相堆积,说明千年大喷发前天池已存在,且此前大规模喷发仅为天文峰期。

(2)千年大喷发的进一步厘定。此前将千年大喷发厘定到公元946年晚期,本文通过野外地质和史料进一步确定为碱流质喷发阶段是公元946年11月3日,粗面质阶段是公元947年2月7日,依据:(a)地层剖面中两种成分在平坦区直接压盖未存在间断,而在沟谷内可见快速堆积的火山泥石流夹层,在碎屑流之上可见同沉积火山灰降落夹层,说明两阶段喷发时间紧挨但存在短期间隔;(b)近年在日本火山灰的研究发现千年大喷发碱流质火山灰(GMEcom)主要分布在日本中南部,而粗面质火山灰(GMEtr)分布在中北部和格林兰岛,这与天池锥体附近调查结果一致,碱流质空降浮岩主要位于东南侧,主轴对应日本中南部火山灰,而粗面质分布在东偏北,对应日本中北部与格林兰岛的主轴方向;(c)日本史料记载,公元946年11月3日在日本南部发生了火山灰降落,而公元947年2月7日在中北部发生火山灰降落,且明确记载南部未见火山灰,这与野外调查的喷发时间短期间断和喷发物分布特征相符。

(3)晚更新世以来喷发序列与过程:a)约5万年前,天文峰期喷发,巨大喷发将高耸锥体破坏形成破火山口,并积水成湖;b)~8千年前,气象站期喷发,弱爆炸式的泡沫熔岩沿锥体北坡形成5.4km长的熔岩垅,火山灰遍布东北亚;c)公元946年11月3日,千年大喷发碱流质阶段,巨大喷发形成25km高的喷发柱,火山灰沿火口东南方向扩散,坍塌形成了分布广泛的火山碎屑流,同时将天池水带出,夹杂喷发物形成规模巨大的火山泥石流;d)公元947年2月7日,千年大喷发粗面质阶段,喷发柱高21km,且具有脉冲式喷发特点,火山灰沿火口东偏北方向扩散,影响大半个北半球;e)至今仍未发现千年大喷发后的喷发物与相关证据,有关历史喷发描述可能为火山扰动事件或其他自然现象,这与该刊同期发表的千年大喷发后天池火山未有火山灰降落的认识一致(Mclean et al., 2020)。

以上研究成果发表在国际火山学权威杂志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)