中国东北地区的火山成因

中国东北地区的火山成因

1关于大陆边缘弧和形成机制的问题许多科学家对中国东北的现代火山活动、深源地震和西太平洋停滞板的发现产生了兴趣。他们进行了大量的基础研究和火山活动，并取得了一些成果（刘若新，1998年；张显康等，2002；唐吉，1997年；赵大鹏等，2004）。对于中国东北地区的火山形成机制,一直存在着分歧和疑义,提出了多种观点,至今仍悬而未决。吴利仁等(1982)认为中国东部中生代火山作用发生的大地构造环境是与俯冲作用有关的大陆边缘弧;王东方等(1985)则认为东北火山活动属于大陆裂谷火山作用的结果;Miyashiro(1986)提出的在上地幔存在一个不同于“热点”的“热区”,“热区”运移到我国的东北地区,是东北的火山的主要物质来源;而Iwamori(1992)的湿区形成机制认为,俯冲板块的岛弧和弧后区的火山活动是由于非亏损地幔上涌引起的,地幔挥发分上涌积累了相变水和其他挥发分物质,它们引起矿物固相线温度的降低,这时称为“湿区”;刘若新等(1998)从岩石学角度研究的结果认为,太平洋板片消减到我国东北时的深度达600km左右,板块运动使上地幔的岩浆向上运移,在上地幔顶部和地壳内分别生成地幔岩浆房和地壳岩浆房;汤吉提出太平洋俯冲板片在我国东北600km处折曲脱“水”,这种“水”可能以融体、结晶矿物水或其他形式上涌至上地幔软流圈,产生地幔流体聚集而形成岩浆房;马莉等(2000)提出的软流圈单向环流模式和Peietal(2005)提出的上地幔大对流模式等。至于哪种观点更适合于解释东北地区的火山的形成机制,需要进行深入的研究。本文将回顾在东北火山地区利用大地电磁测深得到的地壳上地幔电性结构的研究成果,以及近期得到的上地幔及地幔过渡带电性结构的结果,基于电性结构,探讨一种可能的火山形成机制。2活动陆缘期20世纪20年代中期东北地区位于西太平洋板块俯冲带的弧后区,处于中朝板块北部及与西伯利亚板块过渡的复杂构造演化带,是古亚洲构造域和环太平洋构造域构造叠加作用最显著的地区,也是中国东部中、新生代构造活动和火山活动最强烈的地区之一(刘若新等,1999;王东坡等,1999)。东北地区的火山成线状分布在松辽盆地周边,主要分布带为沿长白山、抚密断裂带、依兰伊通断裂带、大兴安岭和松辽盆地北缘(图1)。其中,已证实的现代活动火山区为长白山天池火山区、龙岗火山区、镜泊湖火山区、五大连池火山区和五岔沟-阿尔山火山区等。自元古代至古生代末,华北与西伯利亚两大板块及其中间地块的不同期次、不同规模的俯冲、消减、对接、碰撞,使大陆边缘不断增生,海域逐渐消失,最后导致海西运动末期兴蒙海槽闭合,形成统一的欧亚大陆(殷长建等,2000;王东坡等,1999)。中、新生代以来,东亚大陆经历了古亚洲洋构造域向大陆边缘的过渡、转换,以及古太平洋板块开始向亚洲大陆下俯冲等过程,使其转化为活动大陆边缘(刘德来等,1997),古太平洋板块向大陆下俯冲引起板片脱水和热流上升,导致大规模火山作用和岩石圈的机械与热减薄(刘德来等,1994,1996)。在早白垩世早期,火山活动趋于减弱,上地壳伸展发育裂谷盆地(刘德来等,1996)。进入早白垩世晚期,由于陆缘地体拼贴,俯冲带长距离后退,岩石圈伸展的热动力消失,处于热异常的岩石圈开始向热平衡转化,盆地发展进入后裂谷期,发育成大型坳陷盆地。在这种动力学和构造背景下,岩石圈发生脆性断裂、韧性剪切变形,走滑和伸展共存,导致在不同的基底上形成不同类型、规模和具有不同演化历史的中、新生代沉积盆地(王东坡等,1999),与此同时,形成和发育一系列NE或NNE向左旋走滑断裂带,也发生了一系列的玄武岩浆喷发。3地磁波观测结果地球的电导率(或电阻率)是揭示地球内部状态的最重要的物理参数之一,它对于地球内部的温度、流体、熔融和挥发分的存在及其体积含量等异常灵敏(Shanklandandetal,1977;Karato,1990等)。大地电磁方法在地下的电导率结构,特别是深部电导率结构的研究中发挥了巨大的作用,成为探测火山区深部结构最主要的地球物理方法之一。“九五”期间,汤吉等(2001;2005)在东北长白山火山区和阿尔山火山区、詹艳等(1999)在五大连池火山区、朱仁学等(2001)在镜泊湖火山区分别进行了大地电磁测深探测研究,得到了这几个火山区下的地壳电性结构,这几个火山的岩浆上升通道在探测结果中有清楚的显示(图2)。在长白山火山区及其附近沿着5条伞状测线和1条北西向测线进行了61个大地电磁测深点的观测。对观测资料使用Robust等技术进行了处理,得到了大地电磁响应和反映地下横向不均匀性的地磁感应矢量;使用阻抗张量分解技术(Bahr,1989)消除了局部不均匀体的畸变影响;使用RRI二维自动反演技术(SmithandBook,1991)和大地电磁三维数值模拟对资料进行了解释。结果表明:在长白山天池及其以北和以东地区,约12～25km深处存在东西宽5～6km南北宽约8km,电阻率为10到几十欧姆米的低电阻率地质体,并且有向下延伸的趋势(汤吉等,1997;2001),推测它可能是地壳岩浆囊(图2a)。在五大连池火山区,沿着3条东西向测线和2条南北向测线进行了71个大地电磁测深点的观测。采用同样的资料处理和分析技术对观测资料进行了处理、分析和解释。结果表明,在地壳内部存在一个铆钉状高阻的岩浆通道,认为是已经固结的岩浆通道,是一个冷却的岩浆囊(詹艳等,1999),在中地壳还存在有局部的低阻区,可能与热状态有关(图2b)。镜泊湖火山区,沿着1条北东东向测线和6条北西向测线进行了30个大地电磁测深点的观测。使用一维和二维反演技术得到了地下结构,结果表明,在测区中部30km以下存在一个截面不规则的北东向拉长的“倒喇叭”状的低阻体(朱仁学等,2001),该柱体的电阻率从上到下也呈渐变形式减小,是历史火山喷发的岩浆通道,其电阻率从下地壳的几十欧姆米减小到70km附近的几欧姆米,推测为地下热状态在逐渐增强。在阿尔山活火山区,沿一条垂直火山喷发带进行了7个大地电次测深点的观测,采用二维非线性共轭梯度反演得到了沿剖面的地下电性结构,结果发现,新、老两条火山喷发带存在通往深部的岩浆通道,其中新的活火山带地下在10～12km还保持着较高的热状态,很可能富含流体,在30～50km处可能是地幔向上的供热通道,而老火山带30km以上可能存在一个正在冷却的岩浆通道,两条火山条带在深部可能是同源的(汤吉等,2005)(图2c)。4深度和深度演化的电导率随深度的变化会受到到基在东北吉林和辽宁省内,我们与日本东京大学合作以及国家自然科学基金支持开展了沿12条长途电话线的大地电磁网(Network-MT)的观测,以探测研究1000km以上的地幔电性结构。对观测资料采用远参考Robust处理技术(Chave,1987)进行了资料处理,采用最光滑模型(Occametal,1987)和最小结构模型(Parketal.,19916)等反演技术进行了处理和解释。研究结果表明(图3),上地幔电导率总体上随深度的增加而加大的趋势,但存在明显的局部电导率随深度增大或减小的变化特点。在700km深度以上存在几个明显的高导电带:80～120km,200～250km,350～430km和600～700km,它们分别位于软流圈顶界附近、Lamann间断面附近、地幔过渡带的上、下边界附近。初步解释认为,其中80～120km的带是具有特殊重要构造意义的热边界带,与岩石圈和软流圈的边界面对应;200～250km与上地幔的速度不连续带,有人认为它是一个相变带(榴辉岩—>橄榄岩),但从电导率大小来看,这一高导带很可能与温度和流体有关,推测这一深度可能存在部分熔融物质;360～430km相当于上地幔过渡带的上边界,也是一个波速变化带或变化界面,有人认为这是一个由橄榄石相向α尖晶石相转变的矿物的相变带;600～700km对应地幔过渡带下边界,这也是一个地震波速不连续界面,实验研究表明,它与矿物相变有关(γ尖晶石相→钙钛矿),其上部主要表现为γ尖晶石,下部主要为钙钛矿(占体积的90%以上)。此外,通过对研究区内地幔过渡带的电导率分布和世界其它构造活动区的电导率结构(Nealetal.,2000)的比较发现,中国东北地区的地幔过渡带的电导率比其它地区高0.2～1个数量级。地震CT结果显示该区的地幔过渡带为高地震波速带,解释为停滞的板条,温度较低(Fukaoetal.,1992)。而对于低电阻率的过渡带,一种可能的解释是,东北地区地幔过渡带存在停滞板舌,可能由于俯冲板舌携带流体水或矿物水致使该板条的电导率升高(Ichikietal.,2001;汤吉等,2003)。5火山成因分析对长白山天池火山的地壳上地幔结构探测研究表明,在长白山天池火山区存在岩浆囊(汤吉等,1997,2001a;张先康等,2002)。弧后区活动火山的岩浆囊是不可能孤立地存在于地壳内,因为,地壳中没有足够的热源给予补充并维持其长期保持熔融状态,它一定与深部地幔的岩浆囊有直接的关系。在五大连池火山区、阿尔山火山区和镜泊湖火山区虽然不存在地壳岩浆囊,但是探测到来自地幔的岩浆通道。大地电磁网的探测发现了与这些火山活动相关地幔岩浆源。中国东北属于西太平洋俯冲板块弧后区,太平洋俯冲板块的俯冲前锋已经穿过我国松辽盆地(Zhaoetal.1994;Fukaoetal,1992)。中国东北地区自新生代以来,曾发生过多次强烈的玄武岩喷发(刘若新等,1999;Liuetal.,2001),Liu等(2001)利用地球化学和年代学手段研究了东北火山活动序列以及和日本海张开的关系,表明东北地区的火山活动序列与日本海的张裂有着时间上的关联。刘若新等(1998)曾经从岩石学角度对长白山火山成因机理的进行过研究。通过对电性结构的研究和分析,我们认为东北地区火山的形成取决于地下流体和俯冲带结构共同作用的结果。图4为东北火山区岩浆囊的深部成因推测图。Thompson(1992)对上地幔中水的研究表明,对于像西太平洋这样的成熟(或冷)的俯冲板条,通常的含水矿物主要表现为致密含水的镁-硅酸盐(DHMS),它们携带的水至少可以到达660km的地震波速不连续面,而在这种深度上,水是以融体和矿物组分存在,并且融体可以上升到岩石圈地幔。西太平洋板舌俯冲到地幔过渡带后,660km的地幔不连续面起着板舌继续向下俯冲的屏障作用,使得俯冲板舌被压扁而沿着水平方向继续向前运动,在中国东北变成停滯板舌,穿过图门江—珲春裂谷带地下约600km深处,并且在此形成由俯冲板舌变成停滞板舌的一个拐点,长白山火山、镜泊湖火山及珲春深地震区均处在这个拐点附近。俯冲板舌在俯冲过程中,当到达一定深度时,受到环境的高温高压的作用,发生岩石的相变脱水、含水矿物受挤压脱水以及俯冲过程中因摩擦发生熔融产生水,这些脱水过程,不仅发生在俯冲板舌,而且发生在400～660km的地幔过渡带(停滞板舌)中。水的存在,显著降低了岩石的熔融温度,也降低了岩浆的粘滯度和密度,增强了岩浆的迁移能力。岩浆中的水大大地扩展了火成岩的组份范围,岩浆的这些物理和化学性质的扩展效应直接取决于水。在俯冲带的岛弧区,俯冲板舌发生了强烈的相变和脱水,水沿着一定的路径向上迁移,在50～120km的深度形成地幔岩浆囊,这就是岛弧火山的深部物质来源。到了弧后区,板舌变为停滞的区段,板舌的应力状态发生了变化,在这种新的应力状态下,相变脱水产生的流体会相对丰富,并以融体或挥发分的形式向上迁移到一定的深度(200～250km),在这里形成一个流体集中区,部分流体进一步上涌至80～130km,并产生熔融,地幔岩浆囊受到大陆岩石圈的限制,产生侧向渗透,形成了规模较大的岩浆囊。而全球著名的珲春深源地震区也处在该板舌俯冲方向变化的区域。上部地幔岩浆囊沿着构造薄弱带上涌,到地幔顶部的某个部位聚集后产生玄武岩浆喷发,喷发结束后,部分岩浆残留在地壳,喷出的岩浆以及滯留在喷出通道的岩浆冷却后形成了地壳岩浆上涌的屏障,形成地壳岩浆囊,如果地壳岩浆囊能不断得到地幔岩浆囊的热补充,并使周围的岩石产生熔融,则形成熔融或部分熔融的低阻岩浆囊,它形成过程中会产生大量的气体,积累能量,当地壳岩浆囊的能量积累到一定程度就发生新的喷发,如长白山形成天池火山。喷发后又进行新一轮的岩浆和能量积累,最近研究表明来自下部地幔玄武质岩浆向地壳岩浆房的补给,导致岩浆的混合作用和爆破喷发(樊祺诚等,2005)。火山活动的长期存在,一定要有地幔岩浆囊不断的热物质补充。6火山活动与东北方板块焊接作用长期以来,人们对东北地区的火山作用和形成机制进行了大量研究,得到了十分有意义的结果。殷长建等(2000)对东北地区的火山岩浆作用环境和形成进行了归纳和总结,发现研究区火山的火山岩浆作用是区域岩石圈某阶段发展演化诸多方面不可分割的一个重要环节,研究区中生代以来火山岩浆作用的地质构造发展史及区域性岩石圈的演化,无论是在空间上、时间上,还是在物质成分上,无不与洋陆的互动有关,即相邻的泛太平洋板块相对大陆板块运动方式的转化及速率的变更,在几何学、运动学方面都存在着同向、同步、同源的对应、协同关系,构成一幅井然有序的动态图形,揭示出各类重要地质事件的节律,受其成因背景和驱动机制—圈层耦合效应所控制。赵海玲等(1998)对东北地区中生代火山岩岩石学特征与盆地形成的研究表明,东北地区中生代火山岩作用与俯冲作用有关。而单纯用俯冲作用并不一定能够解释长期以来存在的疑义,还与拉伸背景下或在大陆裂谷有关,是由于大洋的俯冲与岩石圈的拆沉共同作用的结果。然而,东北地区的裂谷伸展和西太平洋的俯冲作用是相辅相成的关系,裂谷伸展是由于板块俯冲作用的结果,因此,可以归结为板块俯冲的结果。Liu等(2001)利用地球化学和年代学方法对东北地区的火山活动序列进行了归纳和总结,结果表明,东北地区中生代以来的火山活动与日本海张开与东北裂谷的形