长白山天池火山全新世浮岩定量显微结构研究及其喷发动力学意义

The microstructures of volcanic products record abundant information about physical and chemical processes of magma throughout the volcanic eruption, and thus the quantitative analysis of the microstructures of the volcanic products has become an effective method for ravelling the dynamics of volcanic eruption, which is not able to be obtained solely by macroscopic research. The Holocene pumices from 5000 BP eruption, the Millennium eruption and the late eruption of Changbaishan Tianchi volcano are taken as the research objects in this project. By means of optical microscopic and scanning electron microscopic analyses at different magnifications, the quantitative microstructural parameters of pumices from these three eruptions, such as crystal size distribution, vesicularity, vesicle shape, vesicle number density, vesicle size distribution, cumulative size distribution, volume fraction size distribution etc. can be obtained, and then the quantitative microstructural characteristics of pumices from these three eruptions can also be determined. Combined with the whole rock and phenocryst compositions of pumices obtained from X-Ray Fluorescence spectra analysis and electron microprobe analyses, some physical parameters for these three eruptions,such as magma temperature,eruption column height, decompression rate, discharge rate, etc.can be estimated. Basing on these results,we may discuss the dynamics of magma ascending, degassing and eruption, as well as the kinematics of vesicle nucleation and growth. The results of this research project will be of great importance to understanding the mechanism of volcanic eruption, eruption forecasting and disaster effect research in Changbaishan Tianchi volcano.

火山喷发物的显微结构记录了火山喷发时岩浆物理化学过程中的大量信息，目前利用火山喷发物定量显微结构分析来探明火山喷发动力学特征已经成为一个有效的方法，可以获得许多由宏观研究所无法获取的重要信息。本申请选择长白山天池火山全新世5000年前喷发、千年大喷发和晚期喷发的浮岩作为研究对象，通过在不同放大倍数下的显微镜和扫描电镜分析，获得三期浮岩的定量显微结构参数（如斑晶大小分布、气孔度、气孔形态、气孔数量密度、气孔的大小分布、累积大小分布、气孔体积分布等），确定三期浮岩显微结构的定量特征。结合由X荧光光谱分析和电子探针分析所获得的浮岩全岩和斑晶成分，推算三期喷发时的部分物理参数（如岩浆温度、喷发柱高度、解压速率、溢出率等）。在上述工作基础上，讨论三期岩浆上升、脱气和喷发的动力学及气泡成核和生长的运动学特征。本项目的研究结果对长白山天池火山喷发机理的认识、喷发预测和灾害效应研究均具有十分重要的意义。

长白山天池火山近几次爆炸式喷发产生了大量的浮岩，本项目以五万年前喷发的黑灰色-黄色浮岩、千年大喷发赤峰期的灰白色浮岩、圆池期喷发的土黄色浮岩和黑色浮岩，及天文峰顶部黑色浮岩为研究对象，从野外地层、粒度、岩相学和地球化学方面分析几期浮岩的差异及反映的岩浆特征，并对内部的气孔进行定量分析，探讨了喷发动力学及喷发强度等特征。首次发现圆池期空降浮岩内含有土黄色和黑色两种颜色的浮岩，两种颜色浮岩的成分具有一定的差异，对该期两种颜色浮岩的地球化学和气孔结构分别进行了研究。研究结果显示赤峰期和圆池期浮岩中间没有沉积间隔，均应划分为千年大喷发的喷发物。粒度呈正态分布，均投点于空降堆积区内。空降浮岩层中含有浮岩碎屑、岩屑和晶屑，园池期空降浮岩岩屑和晶屑含量最高。五万年前喷发和千年喷发赤峰期喷发的浮岩岩性为碱流岩，赤峰期浮岩SiO2含量略高。圆池期两种颜色的浮岩成分均投点在粗面岩，但黑色浮岩SiO2含量明显低于土黄色浮岩SiO2含量。天文峰顶黑色浮岩成分与圆池期土黄色浮岩成分相近，但烧失量低。稀土和微量元素分布图呈相近的变化趋势，但富集程度不同。圆池期岩浆平衡温度高于五万年前和赤峰期岩浆平衡温度。多种岩浆成分说明天池火山下复杂的岩浆系统，可能以分层的形式存在，赤峰期仅喷出上部的碱流质岩浆，在圆池期以脉动式的喷发喷出了不同层位的岩浆，天文峰顶部黑色浮岩可能为圆池期晚期喷发产物。各期浮岩气孔至少经历两次成核事件，5万年前浮岩气孔的成核速率最高，气孔数量密度高，推算的喷发柱高度和岩浆溢出率最高，喷发强度最大。圆池期土黄色浮岩气孔数量密度减小，尤其天文峰顶黑色浮岩气孔数量密度最低，千年喷发在园池期喷发强度减小。本项目的研究结果对长白山天池火山喷发机理的认识、喷发预测和灾害效应研究具有十分重要的意义。