趙勇偉 李 霓 陳正全 王麗竹 馮晶晶 趙 波
1)中國地震局地質研究所,吉林長白山火山國家野外科學觀測研究站,北京 100029
2)中國地震局地震與火山災害重點實驗室,北京 100029
3)首都師范大學,北京 100048
雷瓊火山群位于中國陸地最南端(圖 1),鄰近南?!@不同于中國大多深處大陸內部環(huán)境的第四紀火山。雷瓊火山群是中國第四紀火山中迄今為止惟一被證實坐落于地幔柱之上的火山群,具有獨特的研究意義。雷瓊火山巖的巖石學、同位素地球化學數(shù)據(jù)都說明下地幔物質參與巖漿起源,軟流圈物質也在緩慢上升(Zouetal.,2010; Wangetal.,2012)。地球物理研究表明,在雷瓊火山群之下,當前下地幔物質仍在上涌(Huang,2014; Xiaetal.,2016)。結合雷瓊火山群存在全新世以來火山噴發(fā)的事實(鄒海波等,2020),充分說明此地具有再次噴發(fā)的危險。
圖 1 雷瓊火山群新生代火山巖的分布圖(修改自黃鎮(zhèn)國等,1994)Fig. 1 Distribution of Cenozoic volcanic rock in Leiqiong volcanic field(modified from Huang et al.,1994).
現(xiàn)今雷瓊火山所處的環(huán)境既有陸地環(huán)境,又有濱海和淺海環(huán)境。由于地質歷史上海平面有過多次升高和降低,這些火山當時噴發(fā)時地處陸上環(huán)境還是水下環(huán)境,迄今尚無定論,也缺乏評判標準。其中最為棘手的難題是: 該地區(qū)未來會不會發(fā)生濱海和淺海環(huán)境下的火山噴發(fā)?如果發(fā)生,這種噴發(fā)是什么形式,會造成何種災害類型?2022年湯加海底火山的噴發(fā)再次提醒我們,海水參與下的火山作用有可能會達到驚人的規(guī)模,造成大范圍的破壞。雷瓊火山群靠近“粵港澳大灣區(qū)”的核心區(qū)域,眾多城市、人口與基礎設施分布于海岸火山附近,一系列重大基礎建設工程,如高速公路、高鐵線路、橋梁和核電站都將修建于火山分布區(qū),研究海岸附近的火山噴發(fā)類型對區(qū)域火山災害評估以及制定火山災害防御政策有重要意義。
本文以海南島峨蔓鎮(zhèn)兵馬角海岸火山作為研究對象,在衛(wèi)星影像及無人機影像數(shù)據(jù)解譯的基礎上開展野外火山地質調查,對海岸火山錐不同位置的典型剖面進行了對比研究,利用顯微鏡與掃描電鏡等觀察手段,在查明火山噴發(fā)序列的基礎上,探討噴發(fā)物理作用,恢復火山噴發(fā)歷史。針對該火山,將探索2個關鍵問題: 1)陸上噴發(fā)和水下噴發(fā)有哪些標識性判斷依據(jù)?2)陸上噴發(fā)與水下噴發(fā)的機制是什么?在此基礎上,本文總結了火山噴發(fā)災害的類型,揭示了濱海環(huán)境對火山地質的影響。
雷瓊地區(qū)位于東特提斯構造域東端與太平洋構造域的交界處,深受歐亞碰撞與南海擴張的影響。雷瓊火山群是中國火山巖分布面積最大的火山群之一(約7300km2)(張虎男等,1984; 黃鎮(zhèn)國等,1994),從北向南包括雷州北部、雷州南部和瓊北3部分(圖 1)。雷州北部火山群分布在遂溪、湛江等地,其中有湖光巖“瑪珥湖”火山,保存有完整的巖漿射汽噴發(fā)形成的火山碎屑。螺崗嶺、城里嶺和筆架嶺等火山是巖漿弱爆破噴發(fā)形成火山渣錐。雷州南部火山群分布在???、徐聞等地,在此形成了濱海玄武巖地貌,海蝕火山地貌,以及九斗洋、青桐洋等大型射汽巖漿噴發(fā)形成的“瑪珥”火山(劉嘉麒等,2000)。瓊北火山群的火山數(shù)量及火山巖面積約占雷瓊火山群的一半,??诨鹕降刭|公園擁有雷瓊火山群中最新的火山(于全新世噴發(fā)),如馬鞍嶺、雷虎嶺等(陶奎元,2007)。
此前,許多研究涉及火山勘察、巖石地球化學、地球物理、火山巖年代學和地質旅游資源等方面(劉嘉麒等,1999,2000; 孫謙,2003; 胡久常等,2007; 陶奎元,2007,2015; 灑驍?shù)龋?013; 袁曉博,2014),認識到雷瓊火山群的規(guī)模較大,至少擁有177座火山; 火山活動歷史長,從漸新世—全新世都有過活動記錄; 噴發(fā)類型多樣,既有裂隙噴溢又有中心式噴發(fā)(黃鎮(zhèn)國等,1994)。
當前,雷瓊火山群中有4個區(qū)域處于濱海與淺海環(huán)境中,分別是硇洲島、潿洲島、徐聞和峨蔓。倘若這些火山噴發(fā)形成于類似當前的濱海和淺海環(huán)境,極有可能呈現(xiàn)出與典型大陸內部火山不同的特點。對于火山作用而言,濱海和淺海環(huán)境與大陸環(huán)境相比有2點最大不同: 1)火山噴發(fā)于相對更加富水的環(huán)境中,造成火山噴發(fā)方式的不同; 2)海水有可能深度參與火山噴發(fā)產物的運移,影響噴出物的成巖機制與過程。
峨蔓火山群位于海南省儋州市西北端的峨蔓鎮(zhèn),其中包括至少8處火山,共分布約380km2的火山巖。為獲取峨蔓火山群區(qū)域地表形貌特征,我們基于ALOS衛(wèi)星12.5m精度的DEM數(shù)據(jù),利用ArcGIS渲染重建該區(qū)域的拓撲圖像(圖 2)。根據(jù)該圖中所顯示的地形特征,結合野外驗證,確定存在以下火山機構: 春歷嶺、筆架嶺、德義嶺、兵馬角和蓮花山; 另外,前人經地質調查確定蘭芳村、春坡村和筆架村存在3處火山(黃鎮(zhèn)國等,1994)。峨蔓有2處熔巖臺地在地貌上明顯高出周邊,分別是以春歷嶺和筆架嶺為中心的熔巖臺地,以及以德義嶺和蓮花山為中心的另一處熔巖臺地。前人對其火山巖進行Ar-Ar測年得到0.23Ma的結果(Hoetal.,2000),表明其形成時代在中更新世晚期。而蘭芳村等地3處火山的海拔高度明顯相對較矮,前人對這些火山巖的測年結果為1.14~1.08Ma(Wangetal.,2012),表明其形成時代較老,噴發(fā)形成于早更新世。
圖 2 峨蔓火山區(qū)的DEM渲染圖Fig. 2 Rendering Terrain Surface for Eman field based on the DEM dataset.數(shù)據(jù)源于ALOS 12.5m分辨率DEM數(shù)據(jù)(1)www.91weitu.com。
兵馬角位于峨蔓鎮(zhèn)西端海邊的五彩灘(燈塔處),向東距龍門小學約1km。該處火山因位于海岸邊,在海水侵蝕下剝露出連續(xù)分布的地質剖面,是研究濱?;鹕絿姲l(fā)物理過程的理想對象。兵馬角和春歷嶺、筆架嶺呈NW向323°線性排列,圍繞該線性排列及SE延長線方向分布熔巖臺地,這暗示該線性排列可能代表一條連續(xù)的巖漿補給裂隙。兵馬角火山位于該線性排列的最北端,在地形上與筆架嶺周邊的熔巖臺地相對隔離,顯示兵馬角是一處獨立的火山機構。本文利用無人機攝影測量技術獲取了兵馬角火山高精度的DEM數(shù)據(jù),具體步驟詳述如下: 首先在地表設置控制點,并利用差分GPS獲得控制點的三維信息; 隨后使用大疆無人機悟2(Inspire 2)在300m高空用定點懸停拍攝的方法獲取了300張高清照片,照片的橫向與縱向重疊率均達85%; 將這些照片導入Photoscan軟件中,利用控制點對照片進行“刺點”,在數(shù)據(jù)處理過程中設置參數(shù),以“高精度”對齊照片,以“中精度”生成點云,最終生成DEM數(shù)據(jù)。在ArcGIS中將DEM數(shù)據(jù)進行渲染生成圖 3。在野外調查的基礎上于圖 3 中疊加了巖性分布范圍。
圖 3 兵馬角無人機測量DEM的渲染圖Fig. 3 Rendering Terrain Surface of Bingmajiao volcano based on the UAV DEM dataset.
由圖 3 可見,兵馬角近火口物質集中分布于海岸附近。整個火山機構以熔結集塊巖分布區(qū)域為核心,外圍緊鄰凝灰?guī)r,最外圍是熔巖臺地。據(jù)此推測該火山機構原來是由凝灰?guī)r環(huán)包圍的碎屑錐,火口位于現(xiàn)今五彩灘的西側,火口連同西側一半的火山機構已被海洋侵蝕殆盡。
在該處出露2處火山噴發(fā)堆積剖面(圖 4)。在燈塔正下方的陡崖出露厚約20m的紫紅色弱層理的火山碎屑剖面,由火山渣、火山彈和熔巖餅組成?;鹕剿樾嫉牧6容^粗,以1~5cm為主?;鹕綇?、熔巖餅及少量熔巖等在高溫下重新焊結,形成熔結集塊巖(圖4a,b),此處是火山錐體較為核心的位置。燈塔紫紅色熔結集塊巖剖面向南側過渡為灰黑色碎屑堆積(圖4c),其中穿插有后期侵入的由灰黑蜂窩狀熔巖構成的熔巖墻(圖4d),灰黑色碎屑堆積與厚層熔巖呈傾斜角度接觸。該剖面說明火山錐由近源到遠源呈現(xiàn)由紫紅色向灰黑色的過渡,存在由高溫到低溫的遞變,熔結程度由強轉弱。
Fig. 4 峨蔓兵馬角五彩灘的剖面AFig. 4 Field section A of Wucai Beach in Bingmajiao,Eman.a 剖面地處海灣,核部為集塊巖,邊部為熔巖,海蝕柱由集塊巖組成; b 核部紅色熔結集塊巖過渡為邊部灰黑色集塊巖; c 熔結集塊巖中由熔結壓實形成的弱層理; d 邊部集塊巖中夾后期侵入巖墻
圖 5 兵馬角剖面BFig. 5 Section B of Bingmajiao volcano.紅線為斷層,黃線為各層界線,數(shù)字為層號
圖 6 剖面B的示意圖Fig. 6 Cross-section drawn for Section B.
五彩灘出現(xiàn)紫紅色熔結集塊巖,證明火山噴發(fā)于陸上環(huán)境,這是由于: 1)噴發(fā)出的高溫碎屑只有在較長時間高溫狀態(tài)下與空氣反應才會使鐵陽離子從2價氧化為3價,從而轉變?yōu)樽霞t色火山渣; 2)噴發(fā)碎屑只有在高溫下才可保持一定的塑性而相互熔結。然而,富水環(huán)境極易引起高溫的碎屑淬冷固化,因此不可能形成紫紅色熔結集塊巖; 急劇降溫只會產生灰黑色松散的火山碎屑。該剖面的整體結構反映出火山為低強度的陸上爆破式噴發(fā)形成,噴發(fā)類型為陸上夏威夷式-斯通博利式過渡型噴發(fā); 噴發(fā)后期轉變?yōu)槿蹘r溢流。
在五彩灘向東南約200m處海岸邊,陡崖頂部出現(xiàn)尖滅的紫紅色和灰黑色熔結集塊巖,下伏灰黃色碎屑堆積(圖 5,6)。該剖面由上到下描述如下:
層⑥: 紫紅色氣孔狀火山碎屑組成的熔結集塊巖向灰黑色火山渣漸變,與下伏層接觸面的傾角為35°。
層⑤: 呈薄韻律層互層的灰黃色、灰白色火山碎屑,碎屑有一定程度的磨圓,單個韻律層的厚度為0.5~3cm,具有平行層理與交錯斜層理,推斷為涌流凝灰?guī)r; 厚約14.5m。
層③: 厚層火山碎屑,火山塊約占體積的50%,火山礫約占40%,其中有少量火山灰松散分布。火山碎屑氣孔構造發(fā)育,普遍具有尖角狀邊緣,沒有磨圓,碎屑物沒有明顯的粒度分選,缺少熔結與膠結,為松散堆積。大量出現(xiàn)灰黑色尖角狀邊緣火山渣塊,具有顯著的高溫塑變特征,呈透鏡狀,條帶狀。層厚約98cm。
圖 7 代表性火山碎屑的掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 7 SEM photograph of representative pyroclasts.a 層⑥磚紅色熔結集塊巖中的火山碎屑表面總體形貌: 表面粗糙,大小尺度不一、形態(tài)不規(guī)則的微小塑性熔巖滴重新熔結在碎屑表面; b 圖a火山碎屑內部的微觀形貌: 氣孔構造發(fā)育,氣孔大小不一; c 層⑤射汽巖漿涌流堆積中的巖漿碎屑表層形貌: 呈苔蘚狀的表面出現(xiàn)大量龜裂紋,剛性破裂形成的棱角狀微小熔巖塊重新膠結在一起; d 圖c碎屑的微觀形貌: 表層呈致密結殼狀,出現(xiàn)大量龜裂,結殼之下呈現(xiàn)蜂窩狀細密氣孔構造,表殼碎裂形成的薄板狀塊體重新雜亂膠結; e 層①中黑色塑性碎屑的外貌: 沒有明顯的表層與內部的區(qū)分,不規(guī)則氣孔(空腔)占碎屑總體的絕大部分,熔巖在其中呈薄皮狀,發(fā)生強烈的塑性變形,支撐整個碎屑; f 圖e碎屑的微觀形貌: 表面出現(xiàn)大量龜裂紋,碎裂為大量薄皮碎屑,這些碎屑重新膠結(或熔結)
層②: 薄層火山灰與泥質混合物,具平行層理、交錯層理,組成與層③相同,厚58cm。
層①: 厚層火山碎屑堆積,灰黑色致密的火山集塊與火山礫位于該層的最底部,向上逐漸過渡為灰黃色風化的火山礫(火山渣)。該層上部(約 1/4 層厚)具有不連續(xù)層理,橫向長1~4m不等,厚度較薄(0.5~5cm); 這些不連續(xù)薄層形成次級韻律層理。中間部位的碎屑粒徑最大,最大可達50cm×20cm,為黑色透鏡體狀火山渣。剖面中間夾雜少量灰色泥質團塊,剖面中的火山渣整體為角礫狀,邊緣呈尖刺狀,火山塊約占總體積的30%?;鹕降[及火山灰約占70%,火山灰全部風化為灰黃色,中間呈孔隙狀。本層厚2.76m,未見底。
根據(jù)這些碎屑的顯微特征及其產出層位,分析認為這3類碎屑代表不同程度的水-巖漿作用。第1類碎屑形成于純巖漿爆破噴發(fā): 其產出層位海拔最高,較難與水發(fā)生作用,微觀上沒有淬火作用常見的龜裂,也支持其噴發(fā)過程中不受水的影響。第2類碎屑形成于中度的水-巖漿相互作用: 表面的龜裂與普遍的脆性破裂支持其經受過高溫下水的淬火作用,內部仍保留的氣孔構造說明其內部可能沒有受到影響。結合該處的火山環(huán)境,推測認為第2類碎屑是射汽巖漿噴發(fā)成因的碎屑。第3類碎屑形成于相對較強的水-巖漿相互作用: 碎屑從內到外整體由薄皮狀碎屑熔結形成,說明水-巖漿的相互作用對碎屑進行了徹底改造,高溫的水蒸氣把塑性高溫巖漿撕裂為薄片,隨著溫度逐漸降低,這些薄片經歷破裂和重新熔結。薄片表面微觀尺度上的龜裂證明發(fā)生過高溫下水的淬火作用。
在剖面B中,層⑥的熔結集塊巖與五彩灣剖面相似,2條剖面僅相距200m,在DEM圖上可見2條剖面都緊鄰燈塔錐形高地(圖 2),因此推測其為同一火山錐的不同位置。層⑤由磨圓的火山礫和圍巖碎屑組成(圖8a),大量出現(xiàn)第2類碎屑(圖7c,d); 含多個韻律層,物質普遍有膠結,硬度較大; 發(fā)育平行層理、交錯層理與爬升層理; 該層中頻繁出現(xiàn)正斷層,并在斷層之上疊加爬升層理。層⑤的這些特征都支持其為涌流凝灰?guī)r,產于射汽巖漿噴發(fā)。
層④與層②以石英、長石碎屑和泥質為主,火山灰與火山礫含量低。石英砂大多呈尖角狀,長石大多有蝕變,破裂嚴重,火山碎屑與石英沒有明顯分選(圖8b)。層中物質松散,碎屑間只有泥質膠結; 韻律層中碎屑呈粗細相間分布,平行和交錯層理發(fā)育(圖 9)。根據(jù)其物質組成和層理判斷該層是濱海相沉積物,成因為火山爆破噴發(fā)產出的火山碎屑與異源沉積物混合,推測該層產生于火山噴發(fā)后很短的時間。
圖 8 剖面B產物的單偏光顯微照片F(xiàn)ig. 8 Micrograph of section B product.a 層⑤的涌流凝灰?guī)r,黑色、棕色圓粒狀火山礫約占40%以上,石英顆粒的粒徑較小,有一定磨圓,含量少; b 層②的沉積碎屑,尖角狀石英顆粒與蝕變長石碎屑占主體,火山碎屑以火山灰為主,呈零星散布,比例 碎屑物總體為泥質膠結
層③與層①中出現(xiàn)尖角狀的火山塊、火山礫,碎屑松散無層理,粒度分選不明顯,堆積物整體呈碎屑支撐。堆積中出現(xiàn)透鏡狀扁平的有塑性變形的熔巖漿屑,其內部氣孔構造極其發(fā)育,盡管漿屑仍保持清晰的邊緣,但內部碎裂成粒徑較小的碎屑(圖 9)。這些碎屑為塊狀、尖角狀形態(tài),并有拉長彎曲狀不均勻分布的孔隙。在微觀尺度上,這些碎屑絕大部屬于第3類碎屑(圖7e,f)。這些碎屑與層⑥中的火山碎屑(圖7a,b)完全不同,說明層③與層①的組成物質并非陸上環(huán)境中巖漿爆破成因生成的碎屑。這些碎屑的宏觀堆積與微觀形貌特征與前人研究發(fā)現(xiàn)的新西蘭陶波火山區(qū)Motuoapa Peninisula火山水下“火噴泉式噴發(fā)”(fire-fountain)所形成的火山碎屑相似(Muelleretal.,1992),也與加拿大Flin Flon地區(qū)水下斯通博利式噴發(fā)產物相似(DeWolfeetal.,2018)。這些證據(jù)表明,這2層火山碎屑物質形成于水下環(huán)境,由玄武質巖漿在水下噴發(fā)堆積而成。層③與層①位于層④和層②的濱海沉積物之下,證明這2層也形成于濱海相水下環(huán)境。
圖 9 剖面B的代表性照片F(xiàn)ig. 9 Field photograph of section B.a 層①中水下成因的火山碎屑層; b 扁平透鏡狀塑變的水下成因碎屑; c 層②中的濱海相砂質沉積;d 上、下2層水下成因的火山碎屑層之間的濱海相砂層
在上述認識基礎上,本文繪制了剖面B的巖性柱狀圖(圖 10)。噴發(fā)堆積序列底部有2層水下噴發(fā)成因的火山碎屑堆積(層①和層③),這2層之上分別為濱海相碎屑堆積(層②和層④)。這些濱海相堆積物之上是射汽巖漿噴發(fā)成因的涌流凝灰?guī)r堆積(層⑤)。整個噴發(fā)堆積序列的最頂部是火山碎屑構成的集塊巖和熔結集塊巖(層⑥)。根據(jù)以上火山噴發(fā)堆積序列,推測兵馬角火山的噴發(fā)形成過程依次為: 1)2次水下熔巖噴泉式噴發(fā),每次噴發(fā)之后有短暫的時間間歇,在此期間海水搬運沉積造成薄層的濱海相碎屑沉積; 2)陸上環(huán)境的射汽巖漿噴發(fā); 3)陸上環(huán)境的巖漿爆破式噴發(fā),最終為熔巖平靜溢流。
圖 10 剖面B的巖性柱狀圖Fig. 10 Graphic sections showing the successions of section B.
通過對峨蔓火山剖面的分析,可見研究區(qū)內的火山既有陸地火山常見的夏威夷型-斯通博利過渡型噴發(fā)和射汽巖漿噴發(fā),又存在水下噴發(fā)。在陸地環(huán)境下,玄武質巖漿中的揮發(fā)份在巖漿通道中出溶引發(fā)斯通博利型與夏威夷型噴發(fā)(Valentineetal.,2008)。巖漿在沿通道上升接近地表遭遇含水層的情況下,會發(fā)生射汽巖漿噴發(fā)(phreatomagmatic eruption)。然而,在淺海環(huán)境和濱海環(huán)境下,火山噴發(fā)的物理作用會以什么形式呈現(xiàn),一直是國內外地質學界爭論的焦點。目前較為一致的觀點認為,射汽巖漿噴發(fā)常產生的低密度涌流很難在水下形成涌流凝灰?guī)r,原因在于涌流密度很可能小于海水,它的高速噴射很容易使大量海水混入其中,從而轉化成為濁流(Casetal.,1988)。另外,高溫熔結現(xiàn)象只可能出現(xiàn)在陸上火山。在水下環(huán)境,巖漿碎屑一旦噴出就會遇水淬冷固化,碎屑之間難以重新熔結(Casetal.,1988)。
根據(jù)前人的研究,結合兵馬角火山剖面的解析,我們認為兵馬角火山的巖漿在濱海水下環(huán)境中與海水相遇,盡管可能發(fā)生射汽巖漿噴發(fā),但沒有發(fā)生大陸上常見的涌流式火山碎屑運移堆積。巖漿在水下環(huán)境發(fā)生“火噴泉”(fire-fountain)式噴涌,形成的火山碎屑于水下堆積(圖 10)。只有當這些火山碎屑堆積非常接近海平面或高出海平面時,火山噴發(fā)才由水下火山作用過渡為大陸火山作用。此后,上涌的巖漿消耗其上升通道以及火山口中殘余的水分,發(fā)生射汽巖漿噴發(fā),涌流成因的凝灰物質得以堆積保存(圖 10)。最終,巖漿系統(tǒng)中的淺層水消耗殆盡,火山作用轉變?yōu)殛懴鄮r漿爆破噴發(fā),形成由熔結集塊巖構成的火山碎屑錐(圖 10)。
上述噴發(fā)物理過程暗示,與我們根據(jù)一般大陸火山經驗認為的巖漿-水相互作用直接導致射汽巖漿噴發(fā)相反,海水的蓋層作用可能強烈抑制著射汽巖漿噴發(fā),使其不能以涌流的形式出現(xiàn)。另外,兵馬角火山也證明,在水下環(huán)境確實可以發(fā)生“火噴泉”式的噴發(fā)。這類噴發(fā)此前鮮為人知,但在濱海環(huán)境下可能對構建火山機構基礎起著重要作用。
本文在衛(wèi)星影像及無人機影像數(shù)據(jù)解譯基礎上,開展了野外火山地質調查,對兵馬角海岸火山錐不同位置的典型剖面進行研究。兵馬角火山經歷了水下火山作用向陸上火山作用的過渡,具體過程為: 早期火山于水下發(fā)生“火噴泉”式噴發(fā),在水下構筑火山碎屑堆積; 當碎屑堆積物高出水面時,火山作用轉變?yōu)樯淦麕r漿噴發(fā),產生涌流凝灰?guī)r; 火山活動晚期以斯通博利型-夏威夷型噴發(fā)為主,最終轉變?yōu)槿蹘r溢流。根據(jù)兵馬角火山噴發(fā)物推測,濱?;鹕綕撛诘膰姲l(fā)災害有水下“火噴泉”、射汽巖漿噴發(fā)成因的涌流、彈道噴射墜落火山彈、熔巖噴泉和熔巖流。其中涌流可能貼海平面高速運動,影響火口周邊10km范圍的區(qū)域,是最具威脅性的火山噴發(fā)災害類型。