长白山地区火山作用的地质构造背景

1、95-11-03-03-02长白山地区火山作用的地质构造背景中国地震局地质研究所吉林省地震局2000年11月1长白山地区火山作用的地质构造背景子专题编号:95-11-03-03-02主持部门:中国地震局科技发展司承担单位:吉林省地震局中国地震局地质研究所负责人:李春风王瑜参加人:郑雅琴盘晓东杨清福刘志萍张兴科王军亮孙旭丽蔡宏雷报告完成人:王瑜、李春风起止时间:1997.6-2000.122目录一、区域地质概况1、大地构造位置2、区域地层及岩性特征3、区域断裂(带特征二、新生代以来的构造活动与火山作用1、新生代以来的构造活动2、长白山及周边地区新生代以来的构造演化3、长白山天池及邻区新生代火山喷

2、发的时-空分布4、不同时期火山活动的空间分布特征及与断裂构造的关系5、不同时期火山岩石化学特征所具有的大地构造意义三、区域地球物理特征四、区域地震活动特征五、现代区域构造应力场特征及更新世以来的地壳抬升六、长白山天池火山构造背景分析七、长白山天池火山潜在喷发的分析八、结论参考文献3中国地震局“九五”重点课题95-11-03-03-02子专题长白山地区火山作用的地质构造背景本项目拟解决的关键问题:以岩石化学及地球化学等资料为基础,研究区域大地构造背景;火山区的区域地壳结构、构造、及应力场的特征,区域构造演化过程;火山活动时的构造作用过程以及火山作用过程中的时空演化与构造作用的分布关系;并结合岩石

3、圈结构(如壳幔包体的特征建立构造动力学模式,阐明与周围板块构造活动的关系,从而对该区火山喷发的危险性进行分析。本项目的考核指标:提交长白山地区地质构造背景分析及构造动力学模式,阐明与周围板块构造活动的关系,提出一种“通过构造作用与火山活动、岩石地球化学、地球物理特征等”的综合研究思路和方法,揭示火山活动、构造运动与地震活动的关系,提出对未来火山活动发展趋势的预测。在火山作用构造背景和动力学研究方法和动力学环境预测水平上达到国内先进水平。本项目的研究内容:本项研究通过以岩石地球化学资料的分析、野外浅表层次的地质、构造、火山活动的分布及特征的分析、第四纪以来的岩石地层的分析和测定、断层的分析和形成

4、时间的测定,结合深层地球物理资料分析、地壳结构的分析特别是中国东北地区以及西太平洋板块俯冲区的构造动力学演化,对长白山天池火山的地球动力学环境进行重新分析和认识。本项研究取得的进展:(1长白山火山区及邻区新生代以来的不同时期的火山活动特别是新生代早中期和第四纪以来的火山活动处于不同的构造背景之下:早中期为伸展环境下的产物,后者为挤压环境下的大陆内部火山活动的产物;(2长白山天池火山及邻近地区的碱流岩的形成并不是中国东北地区火山活动所具有的普遍特征,而是与该区的地壳结构、3-2Ma以来的构造动力学背景有直接的关系;(3本区的地壳结构具有西北高、东南低的特征,这与新生代早中期形成的地壳构造特征相对

5、应,但与第四纪期间的火山喷发的地壳结构并不一致;而火山活动的上涌通道与北东走向的断层并没有明显的一致的关系,而可能制约于深层北西走向的构造带;(4第四纪以来的火山喷发具有挤压环境的特征,而且与西太平洋板4块的俯冲作用有着直接的关系,但并不属于活动大陆边缘的火山活动特征,为陆内弱挤压环境的产物;(5上新世末期-更新世以来,本区处于地壳抬升的构造环境;(6东北地区的深源地震的存在与火山活动没有直接的关系。对于长白山地区火山活动的大地构造背景或构造动力学环境的研究,首先必须解决以下一些主要的问题:(1该区的独特的深层地壳结构及背景;(2中国东北地区发育大量的北东走向的构造或断裂带,这些构造与长白山天

6、池火山的不同时期的喷发有何关系;(3长白山天池火山其本身从造盾阶段、造锥阶段到近代喷发的双峰式火山活动的大地构造属性,是真正意义上的引张环境下的裂谷环境还是一种独特的构造背景?(4处于西太平洋板块前缘的深震群附近的长白山天池火山,其形成与不同时期的火山活动与板块俯冲有何关系,具有来自深地幔PM组分的火山物质,从造盾、造锥到全新世的火山喷发的不同时期的火山(2.7 Ma-现今,其火山物质具有同源的特征,这些与相邻区域的构造背景有何关系?是否具有双层岩浆囊?(5长白山天池火山区以及相邻的朝鲜地区都有类似的火山活动,这些火山活动是受制于北西走向的断层和相应的北西西至南东东方向的挤压作用还是不同的地质

7、学者所认为的受到弧后拉张作用的制约?(6地球物理资料所提供的地壳结构、深层构造(结构特征,能否说明未来潜在喷发的可能性?地质构造背景的研究是否能提供合理的解释?(7在以上分析和深入研究的基础上,解决一个关键问题:为什么天池或龙岗等火山在现今的位置喷发,而没有在其它位置活动?一、区域地质概况长白山天池火山区位于中国东北大陆东部,41°20-42°40N, E127°00-129°00,与朝鲜北部相邻。该区处于西太平洋板块俯冲带的前缘位置,与板块俯冲所形成的深源地震相距仅120km。做为中国东北大陆的一部分,该区新生代以来有过多次火山活动(吉林省地质矿产局,

8、1988;丁国瑜,1988;刘嘉祺,1987;刘若新等,1992;黑龙江省地质矿产局,1993。其中的天池火山为近2000年来全球喷发规模最大的火山之一(Machida et al., 1990;刘若新等,1998,同时是一座具有潜在喷发能力的高危险火山(刘若新等, 1992,1998。对于长白山天池地区火山活动的大地构造背景的研究,诸多学者从岩石学、大地构造学等多种角度提出了一些不同的认识,如裂谷环境、与西太平洋板块俯冲有关的大陆内部或板内火山、与深层异常地幔有关的火山等不同的观点(刘嘉祺,1983,1989;Whitford-Stark,1987;丁国瑜,1988;5许东满,1988;吉林

9、省地质矿产局,1988;金伯禄等,1994;。近年来,中国火山地质学家刘等一直强调长白山天池火山未来喷发的可能性,并且从多种角度对其进行了研究。历史记录表明天池火山在过去300多年中有过多次的喷发活动。1、大地构造位置长白山天池火山是一座大型的复合式火山,它位于西太平洋板块俯冲带的前沿,处在中-朝古老克拉通北缘附近(图1;更确切地说,与日本海地区新生代以来的构造活动有直接的可比性。长白山天池火山区同时位于北东、北西及东西走向的断层的交汇部位。它的独特构造背景一直为中外火山地质工作者所关注。长白山天池火山,是一座具有潜在喷发能力的高危险火山。它的近代(近1000年喷发是全球近2000年来最大的火

10、山喷发之一(刘若新等,1992,1998。处于中国东北大陆东缘的长白山天池火山区及相邻的东北大陆区,新生代早中期有过多次的火山活动,形成了大面积分布的玄武岩、碱流岩等,同时受到不同时期的构造改造和影响。上新世至更新世以来,长白山地区地壳上隆,与此相距120公里处的珲春地区深源地震发育,构成了长白山区独特的大地构造位置。2、区域地层及岩性特征长白山天池火山位于中朝地块的北缘,基底为太古代至中、晚元古代的古老变质岩系和以中生代为主的大量的花岗岩,花岗岩主体形成时间为200-130 Ma(图2;古生代沉积盖层零星出露。中生代主要发育一系列陆相沉积盆地,并伴有较强烈的中-酸性岩浆活动。新生代早中期形成

11、裂陷和一些拗陷盆地,晚期形成长白山区的地壳隆起,并大规模地出现以玄武岩质和粗面岩质为主的岩浆活动。1、太古界太古界为一套经受了强烈的构造运动、岩浆活动和多期变质作用、中-深度变质的古老变质岩系。它由各类片麻岩,条带状角闪磁铁石英岩,斜长角闪岩,乃至紫苏麻粒岩和各种混合岩组成。另外,还发育有火山-沉积建造。2、元古界元古界主要为黑云变粒岩、斜长角闪岩、蛇纹石橄榄石大理岩(厚为1522米、含榴矽线斜长片麻岩、黑云变粒岩夹石英岩(厚936米等。6 7图1 长白山地区所处的大地构造位置 8图2 长白山及周边地区岩石地层特征分布图(图中年代数据来自吉林省地质志,19893、古生界和中生界古生界由浅海相碎

12、屑碳酸盐、海陆交互相陆相碎屑沉积组成,分布较少。中生界以中基性向中酸性演化的中酸性火山岩为主,厚可达3000米以上。4、第三系及第四系老第三系主要分布于一些北东走向的断陷盆地内,玄武质岩浆活动广泛。第四纪期间主体表现为地壳的抬升,如长白山山系的抬升,其抬升速率达到1.33-4mm/a 。长白山天池自4000a 以来已抬升了近200米。而构造活动并不十分发育。5、花岗岩岩体围绕长白山天池及相邻区域,花岗岩岩体广泛分布。这些岩体主体形成于200-130Ma (吉林省地质矿产局,1989,构成了天池火山区及周围独特的中上层次的地壳结构。对于火山岩的喷发和断裂的活动有着重要的影响。在长白山天池火山碱流

13、岩中有相应的中生代花岗岩的包体,可见至少在碱流岩岩浆形成过程中花岗质的中上地壳物质参与了岩浆的熔融。3、区域断裂(带的特征长白山及其邻区以北东、北西及北北东为主的几条大规模的断裂或断裂带构成本区的新生代以来的主体构造格局。1、依兰-伊通断裂带位于松辽盆地东侧,南起叶赫一带,向北北东向延伸,经伊通、舒兰、尚志、依兰、萝北,进入俄罗斯境内。断裂带总体上构成一地堑式槽地,由一系列断陷、隆起组成。该断裂带在布格重力图上表现为-10 -20毫伽串珠状负异常;航磁T图上也表现为串珠状负异常(T强度稳定在-100左右和磁力线梯度带。断裂带形成于中生代中晚期,伸展断陷作用形成于新生代早中期。沿断裂带发育新生代

14、玄武质火山活动。中新世活动强烈,从南到北都有含超镁铁质岩石包体的碱性玄武岩质岩浆喷发。随后,火山活动逐渐减弱,进入第四纪几乎完全停止。2、敦化密山断裂带裂谷带的东北部分在俄罗斯境内。国内部分,北东端起于黑龙江省密山一带,向南西经敦化、桦甸至清原、抚顺,全长1000公里。总体走向N45°-50°E。以桦甸、清原为界,可将全带分为三段。研究区内只见其中、北段。中段由相互平行的东、西二支对冲的逆断层组成,严格控制着中、新生代地层沉积。沉积厚度达3700米。太古界逆冲于下第三系之上。该断裂带与依兰-伊通断裂带一样,早期形成于中生代中晚期,于新生代早中期形成伸展断陷。沿断裂带发育大量

15、的新生代玄武岩喷发。45Ma出现小规模的拉斑玄武岩喷溢;11-7Ma出现大量的碱性玄武岩喷溢。3、鸭绿江-甑峰山断裂该断裂北东走向,切过长白山天池火山以及相关的中生代的花岗岩。断层面为高角度,并表现出右行走滑的特征。选取甑峰山山角切过花岗岩处的断层泥,利用K-Ar法测定断层泥中的伊利石(2M型,得到70Ma左右的年龄值。在断裂出露的不同地区进行了研究和踏勘,并没有发现明显的断层切过第四系沉积层的证据。但在卫星影片上清楚可见(图3。4、图们江断裂图们江断裂沿图们江呈北东走向。断裂在部分地段影响到了晚第三纪-第四纪的沉积层。利用TL、ESR法测定了断层(带的断层泥,得到最小9的年龄值都大于10ka

16、,表明此时间以来断层没有强烈活动。有证据表明,沿图们江断裂有近东西走向发育的岩墙,该岩墙切过了2.77 Ma的玄武岩,可见其形成晚于2 Ma。这与3 Ma以来近东西方向的挤压作用所形成的浅层次的剪切特征相一致。可能为剪切作用形成的岩墙。5、北西及东西走向的断裂(带除了上述主要的断裂或断裂带以外,切过长白山天池火山及周边的断层还有北西西、北西及近东西走向的断层。特别是北西西走向的断层,在地表调查中很难发现其露头。但在卫星照片上发现至少五条(其中两条解译为深断裂断层,且平行排列,这与重力资料所得出的结果非常一致。这些北西西走向的隐伏断层(带分布于天池火山的南北两侧,并且与上新世末期以来形成的火山的

17、分布方向一致。东西走向的断层存在于第四纪沉积层之下的基岩中,而且断层并没有切过第四纪的沉积层,显然为第四纪之前形成的断层,只是在第四纪以来的地壳抬升过程中由于差异抬升作用形成了区内的部分地段断层的高差不一致。二、新生代以来的构造活动与火山作用1、新生代以来的构造活动(1新生代早中期10 图3 长白山天池火山及周边断裂构造解译图(据单新建等,本次工作11 12图4 长白山及周边地区第四纪期间断裂活动年龄分布图(图中测年数据为本次工作及前期工作积累,TL 法、ESR 法新生代早中期区内总体上表现为拉张环境。一系列的北东走向的断陷盆地的形成、玄武岩的喷发均表明此时期的拉张环境的信息。长白山天池地区也

18、同样具有相应的构造及盆地沉积。(2 第四纪以来进入第四纪特别是上新世晚期以来,由于大区域的构造背景的变化,区内相应的形成了与前期完全不同的构造背景。第四纪期间的断裂活动的年代证据表明,大部分的北东和北西走向的断层在10万年以来并没有明显的活动(图4。在图4中利用TL、ESR等测年方法获得的数据表明,在天池周边,北西西走向的断层在更新世晚期以来较发育。在天池火山北侧获得了60±3.0 ka、 15.6±0.78 ka断层年龄(TL法。利用其它一些资料,可以看出,东北地区更新世晚期以来,至少浅表层次的断层并没有明显的活动特征。而在长白山及天池及其周围所见到的切过碱流岩及玄武岩盾

19、的“X”型剪节理,其锐夹角指向为近东西走向。表明其于更新世以来受到了近东西走向和挤压作用的影响。2、长白山及周边地区新生代以来的构造演化(1日本海的演化(Lallemand and Jolivet,1985A、始新世-渐新世早期(主扩张前晚白垩世,日本岛仍是亚州大陆的一部分。它们处于活动的大陆边缘。中新世中期(此时库拉板块开始垂直亚洲大陆边缘俯冲,发生右旋运动。整个日本陆块开始向南漂移,发生了第一次小规模的拉分作用。B、渐新世晚期-中新世早期(主扩张日本海盆两侧的左旋运动占主要地位。整个日本以向南运动为主,产生了棱形的日本海盆。在走滑断层的控制下,盆地强烈下陷。盆地内产生了一些雁行式的槽地。C

20、、中新世中期(第二次扩张发生了近于平行于日本岛弧南部的弧后扩张作用。这时,向南的走滑作用明显减弱,只限于狭窄地带。21Ma以后,应力场呈强烈的拉张状态,拉张方向和日本块体垂直(西南向NW-SE向拉张,东北向E-W向拉张。此时在日本海的东部边缘产生了一系列地垒和地堑(叠加在先存的走滑构造上。15-12Ma,向东的扩张占主导地位。弧后扩张大约在12Ma左右结束。D、上新世末-第四纪以来(挤压3或2Ma以来,西太平洋板块向西俯冲,本区进入挤压阶段。这一阶段,地震活动显著,震源(中深源地震机制显示了逆断型的特13点,地震多沿东倾的断层面分布,断层面大致平行于日本海的东部边缘。这表明,本区以E-W向挤压

21、为主。(2中国东部大陆新生代以来的构造演化白垩纪中晚期形成了中国东北地区北东走向的左行走滑作用,现今所见的依兰-伊通断裂、密山-敦化断裂即为当时形成的断裂在后期构造叠加基础上形成的断裂。新生代中国东北地区向南北方向的拉张作用形成了大范围的玄武岩喷发(王瑜等,1999。这些玄武岩的喷发基本上沿着北东走向的断裂构造分布,如四平-长春断裂、依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂等构造区发育大量的新生代早中期形成的玄武岩岩体。中国东北地区中新生代的构造作用过程实际上也与中国东部西太平洋板块的俯冲作用对中国东北地区的造山与成盆作用的影响相一致。中生代中晚期西太平洋板块沿欧亚大陆东缘北北东走向的左行移动,形成了东

22、部地区的北东走向的左行平移断层;新生代期间的日本海的拉张与中国东部地区的新生代的伸展断陷作用有某种内在的一致性,尽管二者形成时间并不一致。而更新世以来中国东部地区特别是东北地区的近东西方向的挤压作用形成了该区的地震活动以及地壳的差异抬升作用。新生代期间中国东北地区除了大范围的伸展作用和更新世以来的弱的近东西向的挤压作用之外,与这些构造作用的过渡期间形成了不同规模的挤压作用,如局部区域的挤压构造,但总体上表现为拉张作用形成的断陷、相应的盆地沉积和沿断裂分布的火山活动。而这些火山作用在新生代不同时期它们的分布范围、分布特征及其成因不完全一致。更新世以来的构造作用,总体上表现为近东西方向的弱挤压,地

23、壳发生的抬升由东向西逐渐减弱,表现为不均一的抬升,并没有形成典型的挤压环境下的造山作用,只表现为大陆内部的弱挤压,形成了局部地区的冲断作用、抬升等。构造应力场的变化以及构造节理的分布和特征也同样表明了近东西方向的挤压变形而并非拉张作用。断层的测年、以及所断开的地层分布关系表明,更新世以来,所见到的断层基本上处于相对弱的状态,很大程度上一些断层并没有表现出活动的迹象。新生代早中期的构造活动均沿北东-北北东走向的构造带发育、展布。而新生代晚期特别是上新世末-更新世以来的构造活动在地表露头较少。3、长白山天池及邻区新生代火山喷发的时-空分布(1、火山活动的时-空分布新生代早中期的火山活动基本上沿北东

24、走向的断裂带分布,如沿依兰-伊通断裂带、密山-敦化断裂带的分布等。新生代中新世-上新世早期,火山14 15图5长白山及东北大部分地区新生代以来的火山活动时-空分布图(图中火山年代数据来自刘嘉麒,1987 活动并不一定沿北东走向的断层分布,但总体上与前期的火山活动有一定的联系。新生代晚期以来,特别是上新世晚期-更新世以来,火山活动并没有沿北东走向的断层分布,而是基本上分布于几个局限的范围,并且沿北西西-北西走向的构造带或范围分布(图5。(2长白山天池火山活动的时序天池火山的基座由军舰山期玄武岩组成;锥体由白头山期粗面岩组成;在锥体和玄武岩盾上披盖着由全新世爆炸式喷发所形成的火山碎屑岩席。天池火山

25、经历了早期的造盾阶段、中期的造锥阶段、晚期的造火山碎屑席阶段。A 、造盾阶段从上新世末到早更新世,长白山区地壳活动加剧,强烈隆起,并涌出玄武岩浆。军舰山期橄榄玄武岩主要是中心式喷发。天池火山口,以及周围的数十个大小火山口喷出的橄榄玄武岩质浆呈放射状向周围漫流,形成火山盾,构成了天池火山的基座。其形成时间下部军舰山期玄武岩为 2.77-2.12 Ma,白山期玄武岩形成时间为1.66-1.59 Ma,上部广坪期玄武岩主要岩性为橄榄辉石玄武岩、辉石玄武岩、橄榄玄武岩、玄武岩。K-Ar年龄为1.48±0.10Ma。B、造锥阶段中、晚更新世,以天池为中心,大量碱性粗面岩质熔岩溢出,堆积在天池火

26、山口周围,盖在军舰山玄武岩之上,形成了天池火山锥体。晚更新世,在粗面岩质岩浆喷发的间歇期,天池火山锥体子火山喷发,形成了由玄武岩质熔渣构成的子火山(老虎洞期玄武岩,镶嵌在天池火山锥体的斜坡上。造锥阶段的喷发时间为1.0-0.04 Ma,并经历了几个喷发旋回。C、造火山碎屑席阶段全新世,天池火山发生爆炸式喷发。4105aBP和1215AD两次大爆发,形成了空降堆积和浮岩流堆积,呈席状覆盖于天池火山锥体及玄武岩平台上。天池火山1215AD大喷发是以碎屑为主的布里尼式大规模的喷发。这次喷发是目前世界罕见的大喷发之一。长白山地区新生代火山岩的厚度平均约为300米,体积约为9000km3。长白山天池火山

27、区的厚度最大,高达1300米;而向四周则逐渐变薄。这种情况表明,长白山天池火山是本区新生代以来玄武岩质岩浆喷发的中心地带。刘若新(1998认为,在相对较小的范围内喷出如此大体积的地幔岩浆源,要求其下有一个或多个岩浆库的存在。而板块俯冲带之上的地幔楔,较易受其下俯冲板块中挥发组分的影响,从而导致产生地幔玄武岩浆。16 17图6 长白山及朝鲜一侧碱流岩的分布与周边地层、构造的关系图 (3碱流岩的分布碱流岩的形成和分布与该区的地壳结构有着密切的关系。长白山天池、望天鹅、西土顶子、朝鲜一侧的南胞胎山等均有碱流岩的形成,这些火山构成了一个北西走向的区域(图2、图6,从中国大陆一侧一直达到朝鲜-日本海边缘

28、。显然,碱流岩的形成并不能从单纯意义上的“双层岩浆房”的模式加以解释。4、不同时期火山活动的空间分布特征及与断裂构造的关系新生代早中期的火山活动明显受制于北东走向的伸展断层,并且主要分布于几个大的断裂(带的内部或其边缘。这与此时期新生代早中期的东北地区拉张作用有关。新生代中晚期属于由北西-南东方向的拉张向近东西方向的挤压作用的过渡时期。其间也有拉张和挤压出现,但都不是主要的构造活动过程。火山活动的分布规律性不太明显。新生代晚期上新世晚期-更新世以来,东北地区处于近东西方向、由东向西的挤压状态。火山活动的分布主要沿北西-北西西方向分布。5、不同时期火山岩石化学特征所具有的大地构造意义在长白山天池

29、及邻区,新生代不同时期的玄武岩均表现出陆内环境的火山活动特征,早中期(61-31 Ma在密山-敦化断裂以西为拉斑玄武岩、碱性玄武岩,东部为拉斑玄武岩、钙碱性玄武岩,极少见深源包体。中晚期(31-5.2 Ma火山物质的成分及岩性特征由西向东发生变化,西部主要为碱性橄榄玄武岩-安粗岩,东部为安粗岩等,具上地幔包体。总体上以碱性岩为特征。晚期(2.77 Ma以来主要分布于天池及周边,局限于北西-北西西方向的带内。以天池中央式火山为中心,表现为玄武岩盾(2.77-1.59 Ma、碱性粗面质锥(1.00-0.04 Ma及全新世以来的碱流质火山碎屑岩的三期喷发(魏海泉等, 1999。岩石化学数据表现出新生

30、代不同时期的火山岩具有大陆内部火山物质的特征(金伯录等,1994;刘若新等,1998岩石化学、地球化学研究表明(解广轰等,1992;金伯禄等,1994;陈正丰,1997,天池火山从造盾到全新世的火山碎屑岩喷发,其长石矿物具有同源岩浆演化的特征(樊琪诚等,1999。从长白山天池火山稀土元素球粒陨石标准化模式图可以看出,除了Eu之外,粗面岩中的REE值普遍比玄武岩的高(Basu, 1991。玄武岩表现出明显的Eu正异常,而粗面岩则呈强烈的Eu负异常。这种情况可能是斜长石的分离结晶作用所致。尽管如此,玄武岩和粗面岩的稀土元素模式的总趋势基本相同。这说明,玄武岩和粗面岩的物质来源应该相同,即来自同一地

31、幔岩浆房。天池火山的Sr-Nd-Pb同位素投影范围介于MORB和EM两个端员组份之间(刘若新等, 1998。这表明,天池火山新生代产物中可能含有MORB 和EM两种成份。87Sr/86Sr与143Nd/144Nd 的变化值介于相应的原始地幔与富集地幔端元EM之间(樊琪诚等, 1999。这进一步证明天池火山不同阶段火山岩是同源岩浆演化的产物,岩浆源区显示微弱富集地幔特征,可能主要受洋壳俯冲和壳幔混合混染的影响(樊琪诚等, 1999。EM成份可能来源于大陆地幔。长白山天池火山的岩浆的形成可能具有原始地幔和板块俯冲形成的扰动地幔的共同参与。三、区域地球物理特征长白山天池地区布格重力异常等值线呈椭圆状

32、,密度较大,呈梯级变化。这种情况和天池地区火山地貌相对应。研究区是区域陆地布格重力异常最大的地区,异常值达-100mgl以上。长白山地区重力场滤波(D0.10km解译表明(金伯禄等,1994,长白山天池南为负异常,而在长白山天池顶部可达+80(10×10-2mgl/km。北部为1819重力高而东南部为重力低。这可能与深层的地壳层次的岩浆活动有关。断裂解译也表明,深层所具有的北西西走向的断层与卫星TM 解译结果非常一致(图7、图3。莫霍面深度表明,长白山天池地区地壳厚度可达40km 以上(图8,而其东西两侧的地壳厚度平均仅为34-36km 。地壳厚度的分布表现出北东走向的特征。地幔拗陷

33、带以长白山为中心,呈北东向展布。莫霍面最大深度在40km 以上。等值线的梯度较大,每10km 大约下降1km ,与重力场大致相当。近期的测深结果表明(张先康等,2000,本次火山项目工作,长白山地区具有北西高、南东低的地壳结构特征。显然,这与中国东北大部分地区的地壳结构不一致。总体上,长白山天池及周边地区地壳结构十分复杂。从区域应力场特征及地壳浅表层次的特征来看,长白山及其邻区处于地壳抬升状态,而并不是地幔处于上隆状态。而这对于区内的不同时期形成的地壳的结构特征的研究十分重要。北东走向的构造带其深层次的地壳的西北高、东南低的特征并不是更新世以来的产物。这不足以说明火山活动与此地壳结构的特征有关

34、。深层CO 2气体的分布以及深层次的地幔的挤压特征表现为北西-南东方 向(张加桂等,1999,亦即由南东向北西方向挤压。图7 长白山天池及周边地区重力场滤(D0.10km 断裂解译图(据金伯禄等,1994,简化 20图8 长白山及邻区莫霍面等厚图 21图9 长白山及周边地区深震、浅震分布图 22图10 长白山及周边地区火山活动与地震分布图四、 区域地震活动特征图9所示的深源地震,为1905年至1992年发生的5.0级以上的地震。 陆源浅震是公元500年至1998年6月11日的大约160个2.0级以上的地震,其中大约90%以上是本世纪70年代以后发生的地震。本区的浅源地震,多为小于4级的小震。其

35、发生频率向大陆边缘有递减的趋势。且这些地震多分布在北东-北北东向断裂构造的密集区或它们与其它断裂的交汇部位(朝鲜境内缺少构造资料。深源地震多发生在海中或大陆边缘地带。这一地带罕有浅源地震发生。从日本海沟至我国大陆东北(珲春一带,震源深度逐渐变大,最大深度大于550km (达600km 。而且深源地震的分布具有由南东向北西分布的特征。这一现象可能反映了西太平洋板块自日本海沟向下俯冲的深度逐渐加大,其前缘已经达到了我国大陆下方(珲春一带。张立敏(1993根据上述情况给出的西太平洋板块的俯冲角度为23°。珲春一带的深震群的震中离天池火山最近者仅120km。刘若新先生(1998据此认为,长白

36、山天池火山应该位于板块俯冲带的前缘。图10火山活动区与地震分布的叠加图表明,地震活动与火山活动似乎并没有明显一致的关系。表1给出了部分地震活动的震源机制解。大部分反映出近东西方向挤压作用下的地震活动的特征。另外,目本海、东北其它地区的震源机制解均表现出北东东-南西西(近东西方向挤压的地震活动特征。表1 研究区及其邻区单个地震震源机制解参数表节面A 节面B P轴T轴时间地点震级走向倾向倾角走向倾向倾角方位倾角方位倾角1941 绥化 6.0 343.4°SW 85°74° NW 10° 29°4° 298° 11°19

37、60 榆树 5.8 55.3°NW 82°139° SW 49° 285.5°34° 180° 21.5°1963 萝北 5.8 83.5°N 75°365.5° E 80° 41° 30.5 318°2°1966 怀德 5.2 42° NW 64°142.5°NE 69° 271.5°3° 3.5° 34.5°1974 参窝 4.8 98° NE 40&#

38、176;34° SE 70° 84° 52° 330° 18°1975 海城 7.3 23° SE 75°290° NE 81° 66° 18° 157°4°1980 朝鲜 5.7 159° SW 77°65° SE 78° 113°1° 203° 20°1980 喜桂图旗5.3 291.4°SW 8.5°20° SE 82° 246.2

39、° 2.5° 156.4°4.9°1988 彰武 4.8 22° SE 71°99° NE 58° 66°330°1990 磐石 3.9 42° NW 70°146° NE 55° 98° 10° 359° 41°73-7 7 吉林中东部3.040° 154°97°7°72-8 1 吉林东部3.442° 313°86°356°78-8 3

40、 朝鲜小震N55°WNE 70°N28°E NW 82° 75°5° 345° 20°23五、现代区域构造应力场特征及更新世以来的地壳抬升1、陆源浅源地震所映的应力状态现代地震活动是在现代构造应力场作用下发生的。不同的应力场特征会引起不同类型的地震活动。为查明工作区现代构造应力场特征,我们查阅和分析了工作区及附近地区的构造地震震源机制资料。东北地区浅源地震震源机制的主要类型为近直立的断层的走滑运动。构造应力场的最大和最小主压应力轴皆是水平的,中等主压应力轴直立。区域平均最大主压应力方向为NEE-SWW方向(据国家地

41、震局中国地震区划图编委会所编中国及邻区地震震源机制图。研究区内浅源地震的震源机制资料很少。为此,我们收集了东北地震区及其邻近地区中、强地震的震源机制解和吉林省中部和东部地区及朝鲜部分地区的小震综合断层面解,对它们进行了汇总和统计(如表1。测定结果表明,这些地震的震源机制特征为近直立断层的走滑机制,表现为节面倾角都较大,滑动方向接近水平。这些地震的P轴平均方位为近东西向。由于多个地震的平均P轴方向是可以反映区域构造应力场的最大主压应力方向的,所以工作区的平均最大主压应力方向也是在NEE-SWW(近东西方向上。这一结果基本和整个东北地区的大趋势相符合。2、深源地震的震源机制日本海及中国东北地区的中

42、深源地震的主压应力轴与板块下插方向平行,而主张应力轴与其垂直(张立敏等,1983;章振铨,1988;赵振,1991。即在板块下插方向上,板块处于压缩状态。3、地下钻井提供的应力特征长白山及邻区有限的钻井获得的一些资料表明(图4,深层处于近东西方向的挤压应力状态。4、更新世以来的地壳抬升从朝鲜一侧到中国东北大陆,更新世以来(上新世晚期处于地壳挤压状态,同时形成了广泛区域的地壳抬升状态。从新生代测年和沉积物时代分析,朝鲜东缘一侧地壳抬升速率可达 2.71mm/a,由东向西,地壳抬升速率由高到低。长白山周边地区晚更新世以来的地壳抬升速率可达0.21-0.33 mm/a。总体上,东北地区特别是长白山地

43、区新生代晚期以来处于地壳的抬升状态。六、长白山天池火山构造背景分析24日本海地区地震震源深度等值线图(图11表明,西太平板块俯冲带的前缘可能已经达到我国大陆下方(珲春一带。据此推测出长白山天池火山可能位于西太平洋板块俯冲带的前缘。长白山天池火山是本区新生代以来玄武岩质岩浆喷发的中心地带。本区喷出物体积约为9000km3。刘若新等(1998认为,在相对较小的范围内喷出体积如此巨大的火山产物,要求其下有一个或多个岩浆库的存在。地球化学的分析结果表明,长白山地区不同时期的火山产物的岩浆演化趋势大致相同;岩浆可能具有两个来源,即大陆的原始地幔和受西太平洋板块俯冲影响形成的扰动地幔(图12。地幔热岩浆向

44、上、向西涌动时,可能受到长白山天池周边的地壳结构的强烈影响,形成了局部地区的岩浆结晶分异,从而形成了从玄武岩到碱流岩的喷发,而且这些岩浆具有同源的特征。而在其它地区并不会形成类似碱流岩的喷发。由浅源地震震源机制分析结果所得出的研究区的平均最大主压应力方向为NEE-SWW,与俯冲带内中-深源地震震源机制分析所得出的主压应力方向基本一致。它们均与板块俯冲的方向一致。结合上新世以来的地壳抬升等综合表明,长白山天池火山从造盾、造锥到近代喷发处于近东西方向的挤压状态。长白山天池地区及龙岗地区上新世晚期-更新世以来的岩浆喷发可能与是否存在断裂构造并没有关系。事实上,北东走向的断层在火山喷发过程中可能并没有

45、起到岩浆上涌的通道作用。只是早期地表层次形成的裂隙对火山的上涌有一定的影响,从而形成了区内长白山天池的裂隙式的火山喷发(图13f和图13e。而龙岗地区的火山活动可能并没有受到裂隙或北东走向的断25 26图11 西太平洋板块俯冲震源等深线分布及未来喷发的可能动力背景(震源等深线的分布引自马杏垣,1989 27 图12 西太平洋板块俯冲与长白山火山活动关系的动力学模式图图13 挤压和拉张环境下不同类型的火山喷发模式 28图14 新生代早中期和上新世晚期以来火山活动的构造动力学背景模式图层的制约(如图13e 和13g 。因而,它们早期具有不同的成因模式,晚期可能均具有弱挤压状态下的火山喷发特征(图1

46、3e 。但是二者均受到了北西西走向的深层构造的影响。长白山天池火山在造盾及造锥阶段的喷发形式存在着很大的不同。 长白山周边地区新生代早中期玄武岩的喷发模式与上新世晚期以来的火山活动模式完全不同。早期表现为拉张环境下的特征(如图13a-d 。从大区域来说,其所具有的动力学背景也存在着很大的差异(图14。早期体现出向东的伸展作用环境下的岩浆活动,而晚期则处于整体向西挤压,局部挤压-走滑的环境,并且岩浆来源于本身的原始地幔和西太平洋板块俯冲形成的扰动地幔。问题讨论:碱流岩形成的深层动力学分析从岩石学、岩石地球化学特征并结合区内的火山活动的时间及空间特征表明,上新世中晚期-更新世以来的火山活动与地壳结

47、构有着密切的关系。当上地幔岩浆向西发生移动或蠕滑时,受到了该区的地壳的影响,必然阻挡了岩浆的向前活动。形成了区内局部的岩浆的聚集,不同的扰动地幔和原始地幔一起形成了区内的碱流岩的岩浆。这可能是为什么碱流岩分布于北西走向的局部范围内的主要原因。因为,在天池火山以西地区的龙岗火山区,其岩浆直接来源于上地幔顶部,深度仅35-50km(史兰斌等,1999。深层岩浆的形成体现出两种来源原始地幔和板块俯冲形成的扰动地幔。因此,碱流岩的形成与天池周边地区的深层地壳结构有关,而与是否有深俯冲物质的带入无关,这与真正意义上洋壳俯冲物质带入地幔的特征存在着很大的不同(Peacock et al., 1994。岩浆

48、活动可能体现出具有上地幔层次的“双层岩浆”活动的动力学模式。刘等认为在长白山天池火山之下存在着地壳层次和地幔层次的双层岩浆房,而且二者属于统一的岩浆系统。事实上,西太平洋板块的俯冲物质可能并没有带到长白山天池及其附近的下部。长白山天池火山喷发属于大陆内部的火山活动,而并不属于大陆边缘或者板内的火山活动,而且与大陆内部的裂谷作用的火山活动没有关系。火山活动与深源地震的活动也没有关系。火山活动的位置处于活动大陆边缘与大陆内部的过渡位置。综上所述,长白山天池火山形成的动力学背景或构造环境可以概括为: (1深层作用的动力学过程分析:深层岩浆的形成体现出两种来源原始地幔和板块俯冲形成的扰动地幔;火山喷发

49、过程中,地壳处于由东向西的挤压作用过程中,而这种挤压作用并非造山环境的挤压,而是属于陆内的挤压作用,其动力来自于3Ma以来西太平洋板块向西的俯冲作用。(2岩浆活动的中浅层次的通道及与应力状态的关系:长白山天池及周边火山上新世晚期以来的喷发并未受到北东、北北东走向的构造的影响,而是受到了深层次北西西走向的隐伏断裂或构造的强烈影响。所受到的应力状态并非拉张,而是近东西方向的挤压作用。火山喷发期间及近期,区内仍处于地壳的抬升状态。(3火山活动的大的构造背景间接制约于西太平洋板块的俯冲作用。碱流岩的形成与天池周边地区的深层地壳结构有关,而与是否有深俯冲物质的带入无关。事实上,西太平洋板块的俯冲物质可能

50、并没有带到长白山天池及其附近的下部。(4长白山天池火山喷发属于大陆内部的火山活动,而并不属于大陆边缘或者板内的火山活动,而且与大陆内部的裂谷作用的火山活动没有关系。火山活动与深源地震的活动可能也没有关系。29七、长白山天池火山潜在喷发的分析1、天池火山处于活动的构造背景中天池火山位于西太平洋板块俯冲带的前缘区。新生代晚期(3-2Ma以来的西太平洋板块的持续俯冲作用,使我国东北地区构造环境日益复杂多变。西太平洋板块以每年8-10cm的速度自日本海沟向下俯冲(板块的倾角大约26°,使日本岛弧至我省珲春一带震级较大的中、深源地震不断发生。我国境内深震的最大震源深度达600公里,这些深震震中

51、距天池火山最近者仅为120公里。这说明,本区处于深部强烈活动的地区之一。据我国地震台网测定,1999年4月8日21时10分(北京时间,在吉林省延边朝鲜族自治州珲春-汪清一带(震中位于北纬43.4°,东经130.3°发生了7.0级深源地震,震源深度为540公里。这种情况说明,西太平洋板块现今仍以其强大的作用力,不断地影响着日本海沟-我国东北大陆的广大地区。2、火山机构本身的活动潜力A、重力高异常区在布格重力异常图上,天池火山较高的异常表明,天池火山仍处于隆起状态,质量亏损为8×109t。事实上,长白山区是我国东北上升最快的地区,垂直上升速率大(郭良迁,1990。近期

52、仍处于隆升状态。B、可能的岩浆囊的存在新近完成的天池火山两条大地电磁测深剖面的探测结果表明,在天池火山地下12-25KM范围内,存在一个110/M的高导体。刘若新等(1998认为,这是该火山下面存在一个地壳岩浆房的地球物理证据。张禹慎(1996利用全球数字地震台网资料所做的S波CT结果显示,长白山天池火山下面4065KM的上地幔顶部,存在明显的低速区。可以把这种现象解释为上地幔中存在一个岩浆房。这样,在天池火山下面,很可能存地壳和上地幔双层岩浆房。而这一结果,正好与火山产物中既存在灰白色碱流岩质浮岩,又有黑色玄武岩质浮岩的事实相一致(刘若新等,1998。这说明,当地幔玄武岩浆(及流体上升注入地

53、壳岩浆房时,触发了喷溢活动。C、历史喷发频繁,规模巨大天池火山在全新世有多次喷发活动。4105aBP(园池期发生一次火山喷发,形成了浮岩质碎屑堆积;1199AD年发生一次布里尼式喷发,形成了广泛分布的浮岩质碎屑堆积,火山灰已飘落到日本。据史料记载,公元1668年、1702年,天池火山发生两次小规模喷发,其产物为薄层雨灰。30D、现今仍在活动 a 火山地震活动频繁 天池火山构造中的火山地震的震源深度一般为 3-6 公里。 1985-1991 年， 每 3 个半月可平均记到 14 次左右的火山地震。1993-1995 年间每年一个月 的监测(临时性台网时间内，在气象站（天池主峰）分别记录到 18

54、次、21 次、15 次的火山地震。这表明，火山机构中，火山地震较为频繁，岩浆活 动较为活跃。 b 地形变 据中国地震局测量大队应用 1951-1982 年一等水准资料， 与全国统一用 微逆动态平差法计算表明， 天池火山区为我国东北大陆上升最快的地区（郭 良迁，1990）。另据朝鲜方面的研究人员介绍，自 1928 年观测以来，直到 1991 年，发现天池水面标高逐渐下降，而天池火山最高峰（将军峰）已由 2745 米升至 2750 米（李继泰等，1995）。这些资料表明，天池火山锥体在 全新世仍在继续上升。 c 地下流体 天池附近的温泉点有上百个，长白温泉群总出露面积约 3300m2,日涌热 水总

55、量约 6500 吨，其中 60°C 以上的热泉有 47 个，水温高达 81.3°C。这可 能是岩浆近表面热效应的明显标志。 以上的结果表明，天池火山是一个活火山，并具有潜在喷发危险。 3、末来喷发的可能模式及范围 长白山天池地区处于西太平洋板块俯冲带的前缘， 因而属于西太平洋火 山活动及地震强烈活动的区域。震源机制分析结果表明，研究区的平均最大 主压应力方向为 NEE-SWW （与深源地震的震源机制表现出来的最大主压应 力一致），现今的地震活动和断裂活动主体以由东向西的挤压、局部区域以 走滑作用为主。 可见在现今及未来的地质历史时期，这一构造应力状态可能 仍会存在。 加之从

56、上新世末期以来长白山天池及周边地区形成了深层及浅层 的不同规模的北西西走向的断层， 而这些断层将可能成为岩浆在中上地壳层 次上涌的通道。从这种情况来看，本区的喷发模式可能为图 11、15 所示。 亦即它可能将以浅层次走滑作用构造条件下， 总体以挤压作用的构造环境下 发生火山喷发。 天池以西的龙岗火山群的形成与天池火山更新世以来的喷发 几乎同步。所不同的是天池火山区以碱流岩等为主，而龙岗地区以玄武岩、 橄榄玄武岩等为主， 二者形成的深度不同，由于地壳层次的结构不同因而所 形成的岩浆活动也不同。未来的火山喷发可能并不一定在天池破火山口喷 发，而有可能在图 5 所标出的沿北西西方向从天池到龙岗一线的

57、分布范围 （图 5）。 31 图 15 未来火山喷发的可能的动力学模式 八、 结论 以天池火山为喷发中心的长白山火山区处于西太平洋板块俯冲带的前 缘，西太平洋板块于 3Ma 以来的向西的俯冲作用，对长白山天池火山上新 世晚期以来的火山活动具有重要的影响。 该区的火山活动并不是西太平洋板 块俯冲作用形成的弧后拉张作用造成的， 也不具有陆内裂谷环境火山活动的 特征。 长白山天池火山地区从玄武岩造盾、粗面岩造锥到全新世的碱流岩喷 发， 一系列的火山活动中岩浆具有同源的特征。深层岩浆的形成体现出两种 来源原始地幔和板块俯冲形成的扰动地幔；火山喷发过程中，地壳处于 由东向西的挤压作用过程中， 而这种挤压作用并非造山环境的挤压，而是属 于陆内的挤压作用， 其动力来自于 3Ma 以来西太平洋板块向西的俯冲作用。 长白山天池及周边火山上新世晚期以来的喷发并未受到北东、 北北东走向的 构造的影响，而是受到了深层次北西西走向的隐伏断裂或构造的强烈影响。 所受到的应力状态并非拉张， 而是近东西方向的挤压作用。火山喷发期间及 近期，区内地壳仍处于抬升状态。 火山活动的大地构造背景间接制约于西太平洋板