长白山火山是目前我国公认的最具喷发危险的活火山。公元946年发生的千年大喷发是全球2000年来最大的火山喷发事件之一。火山监测表明,2002~2005年长白山发生了火山扰动事件,火山地震达到3300多次,山体抬升6.8cm。自2020年以来,长白山火山出现多次震群事件,地震的频度及强度有所增强,可能预示着火山活动由平静向扰动转变,表明长白山深部岩浆房系统的活动性正逐渐增加,有再次喷发的危险性。长白山跨越中朝边境,是东北亚地区的主要山系和国际河流重要水源地,长白山火山一旦发生爆炸式喷发,将会造成巨大的灾害影响。岩浆过程是火山形成、演化和喷发的根本原因,准确认识和恢复地质过程及规律是有效预防地质灾害的根本。本次研究以长白山天池火山为研究对象,基于野外剖面火山喷发序列测量结果,通过岩相学、矿物学、地球化学、熔体包裹体以及年代学数据,结合rhyolite-MELTS模拟结果和地球物理相关探测结果,深入揭示长白山天池火山破火山口阶段岩浆房系统形成演化过程,并对火山触发机制进行探讨,这对进一步探索长白山复合岩浆房系统的演化规律和喷发趋势具有重要意义,为火山喷发预测提供地质依据。本次研究取得的成果和认识如下: (1)长白山天池火山破火山口阶段喷发序列 基于野外剖面,综合利用岩相学、矿物学、地球化学等方法对破火山口阶段各期次火山岩开展系统性研究。长白山天池火山破火山口阶段主要由四个期次构成,各期次火山岩在岩相学、矿物学和地球化学特征上存在差异。结合年代学测年结果,明确破火山口阶段喷发序列,由下至上依次为:29ka前喷发的天文峰期黄色碱流质浮岩;7~17ka前喷发的气象站期碱流质熔岩;公元946年千年大喷发事件,包括以浅灰色碱流质浮岩为代表的千年大喷发Ⅰ期,和以黑色粗面质浮岩为代表的千年大喷发Ⅱ期。 (2)岩浆成因及演化过程模拟 长白山天池火山破火山口阶段中酸性岩浆是由基性岩浆分离结晶形成的,岩浆向上运移和驻留过程中发生了分离结晶与同化混染作用。运用rhyolite-MELTS热力学模型对天池火山破火山口阶段各期次岩浆演化过程进行模拟,在P=1~2kbar,含水量为0.3~0.5wt.%条件下,模拟演化的结果与天池火山破火山口阶段四个期次样品分布吻合较好,表明长白山天池火山破火山口阶段岩浆的演化部位很可能处于地壳浅部位置。 (3)复合岩浆房系统结构 长白山天池火山破火山口阶段具有复合岩浆房系统结构。利用熔体包裹体和单斜辉石-熔体温压计两种方法对岩浆房的温压条件进行计算,从而估算各期次岩浆房深度。结合rhyolite-MELTS模拟结果和地球物理探测结果,实现对复合岩浆房系统的刻画。天文峰期岩浆房深度范围为4.7~6.8km;气象站期碱流质岩浆房深度范围为5.9~7.5km;千年大喷发Ⅰ期岩浆房深度范围为4.3~7.8km;千年大喷发Ⅱ期岩浆房深度范围为2.5~5.5km。 (4)天池火山破火山口阶段岩浆房系统形成-发展过程 天文峰期岩浆来源于中地壳高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的粗面质岩浆,中地壳粗面质岩浆上升运移至浅地壳,发生分离结晶作用形成碱流质岩浆。在天文峰期喷发后,岩浆房发生坍塌破坏,气象站期岩浆房为另一个新生的岩浆房,其岩浆来源于中地壳低⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的粗面质岩浆。气象站期岩浆具有破碎的碱流质岩浆和连续的碱流质岩浆同时喷发的特征,显示出混合的爆发-溢流喷发动力学特征。气象站期与千年大喷发Ⅰ期岩浆具有一定继承关系,可能存在由小岩浆房逐渐生长形成大岩浆房的规律。即在气象站期喷发结束后,此时碱流质岩浆房处于生长膨胀的状态。由于中地壳岩浆的持续补给,形成大型的千年大喷发Ⅰ期岩浆房,直到后期大规模粗面质岩浆(千年大喷发Ⅱ期岩浆)注入,mush重熔,熔体萃取,触发了火山喷发。千年大喷发Ⅱ期岩浆来源于中地壳岩浆房中储集的另外一期新的粗面质岩浆。千年大喷发Ⅱ期岩浆注入千年大喷发Ⅰ期碱流质岩浆房中,即千年大喷发Ⅱ期继承了发生mush重熔,熔体萃取之后的浅部岩浆房,在经过短时间的演化后继续喷发,形成黑色浮岩堆积。 (5)触发机制及未来喷发趋势 天文峰期、气象站期、千年大喷发Ⅰ期和千年大喷发Ⅱ期在岩浆房形成过程中均存在岩浆补给或岩浆混合作用。结合断裂系统,在新生代晚期,长白山地区存在的断裂可为火山活动过程中岩浆向上运移提供有效通道。因此,岩浆补给/混合事件可能破坏部分或整个岩浆房系统的稳定性。在长白山天池火山破火山口阶段,岩浆补给/混合可能是一种非常重要的火山触发机制。长白山千年大喷发期岩浆房已经发生坍塌破坏,在千年大喷发之后又发生了多次小规模喷发,说明地下深部岩浆又开始重新上升聚集,形成新的小岩浆房。岩浆房系统又进入下一个从小岩浆房逐渐生长形成大岩浆房的过程。结合近期火山监测数据,推测长白山火山下次喷发仍以小规模的中酸性岩浆喷发为主。