书城自然混杂堆积与环境
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第77章 火山与星体撞击混杂堆积(附人工混杂堆积)(2)

岩屑和晶屑比玻屑的比重大,近火山口地带岩屑和晶屑含量高,离火山口越远,晶屑越少。同一层火成碎屑的底部,比重大的颗粒相对富集。普林尼式浮石降落沉积的组分变化比较特殊,在火山口附近的沉积中少晶屑,沉积物底部浮石占优势,顶部则由石屑占优势。离开火山口越远,石屑和晶屑数量的比例增加,特别是在远端沉积中,晶屑的含量大增。熔灰岩主流相沉积的底部,由石屑和流纹质浮石组成,向上安山质浮石出现,含量逐渐增加,流纹质浮石则减少。到剖面顶部,沉积物由安山质浮石和石屑组成。从底部到顶部,石屑的粒度逐渐增大,含量也略有增加。

(三)结构和构造特征

火山泥石流沉积:粒度变化大,颗粒呈棱角状到次圆状,成分均一,细粒物质少,呈颗粒支撑结构、条纹斑状结构;以及浮石透镜体、气体分离管道和透镜体、粒级层、弱层理、席状或透镜状沉积体、块状、柱状节理、熔结带状构造。

火成降落沉积:分布在火山口附近。成分均一,由未改造的火山弹与增生火山砾组成。为荷载变形构造;反粒序,正粒序,块状,弱层理,扰动层理,扩散层理,条纹斑状为其结构。

火成爆炸冲击波沉积:组分均一或不均一,由结核火山砾与增生火山砾组成。呈火山弹载荷下沉构造;反粒序,平行层理,交错层理,块状,准同生滑动、扰动褶曲,U形侵蚀沟切割填充构造,滑动面,共生降落火山灰夹层(图127)。

自角砾化火山碎屑沉积:组分均一,由变形的气孔,极不规则的多尖刺状岩块组成。边缘角砾化,内部块状,变形的气孔,弧形砾石面。

熄灭—淬灭角砾岩沉积:组分均一,由棱角状或裂片状碎屑组成。镶嵌构造(拼板构造)。有围岩混入,呈透镜状,袋状,枕状,脉状产出。

五、火山碎屑沉积环境

火山堆积的环境有下列特征:

(1)物质多态:火山物质的喷发方式及堆积过程是多样的,且固态、气态与液态三种物质形态汇聚在一起,这就给火山堆积的识别与研究增加了困难。

(2)环境多样:分别有气下、水下、陆地、海洋等各种自然环境,与湖相、河相、海相皆可共生。

(3)火山堆积物无论大小,均呈棱角状、弹状或饼状,未经搬运,不含或极少含异地物质,仅仅偶尔可见喷发处挟带的基岩物质。如山西大同黑山火山物质中能够见到桑干片麻岩岩屑。

(4)火山堆积物与地形关系比较复杂:不管地表形态如何,它们全是以披盖方式堆积,类似于风成黄土沉积,但又具有顺坡(沟)而下或逆坡(沟)而上的独特性质。

(5)沉积物在平面分布上,随距离远近而发生分异;在垂直方向上,粒序由密度决定,而非由体积大小决定。

(6)火山堆积具有沉积旋回,有一幕、多次的小旋回,也有多幕和多次的大旋回。

(7)最重要的是火山堆积是由构造活动引发的,是内力作用和外力作用混合形成混杂堆积的方式之一。喷发的猛烈程度决定于岩浆性质,酸性含量大,则猛烈爆发,碱性大则呈熔岩流出而不会喷发,混杂堆积的形成,多系前者。

(8)据悉,火山活动与西太平洋上发生的厄尔尼诺现象有关,即3—11a的活动周期与火山喷发有关,使厄尔尼诺现象出现概率加倍,数十亿吨火山灰弥漫在高空,使阳光无法穿透,致使全球气温降低0.12°C,并持续3a,3a之后才发生逆转,随即出现拉尼娜现象。

(第二节)火山混杂堆积类型与特征

火山堆积物并非均属混杂堆积,只有无分选或弱分选的属于混杂堆积,也有分选很好,但无磨圆的碎屑堆积,如岩屑、晶屑等。

属于混杂堆积的火山堆积有原生和次生两种(表124)。

一、原生火山混杂堆积

(1)火山碎屑岩(角砾岩):有松散状的,也有熔结状的,包括火山弹、火山集块和火山砾等。

(2)火山砾岩:粒径在2—50mm。

(3)火山碎屑+集块岩复合体(熔结状、松散状)。

(4)火山泥石流堆积:火山泥石流混杂层,也有原生与次生之分。

原生的次生的喷出后直接降落到地面,偶有顺坡滚动、滑动及原生泥石流原生物受各期外力搬运,如经河、湖、海水侵扰,坡面流水改造,以及次生火山泥石流改造等原生火山混杂堆积可见清晰层次,层面凹凸不平,上下层的底面和顶面互相嵌入。

粗层中,大块砾石间有较多孔隙;细层中,均呈渣状,少有粒度分异;层次延伸短,起伏大,偶尔夹有大块。山西大同黑山火山、金山寺火山和萧家窑头火山为典型代表。

总的看来,其剖面有粗细分层,但中间往往没有一个明显的分界线。粗大的火山块和火山弹组成的沉积物,多呈镶嵌式结构,大砾块紧密相接,中间很少火山灰物质充填。细火山碎屑(小于2cm)沉积物多表现为一种渣状构造,粗细物质均匀分布,中间偶尔有粒度分异层,但起伏甚大,延伸极短。内部偶尔还有散落于其中的粗大物质,以下用几个典型剖面说明之。

(1)山西大同黑山火山的沉积特征:黑山火山剖面所反映的是原生火山碎屑堆积。

火山物质被喷出,抛向天空,然后在重力的作用下下落,并可能在一定距离内发生滚动或跳动。

原生的火山碎屑物质在大同火山群所见均为黑色,说明未经气下氧化作用。碎屑颗粒无论大小均为棱角状,显然没有经过明显的再搬运。粗大火山块和火山弹组成的碎屑层多为镶嵌结构,较细的火山物质(小于2cm)以渣状结构为特征,其中偶尔夹有巨大的棱角状火山块或火山弹。沉积略显层次,但层的延续程度和起伏程度较大,且以物质的粗细分层,有正粒序不含异地物质,但偶尔挟带有火山喷发处基部的基岩碎屑(照片122)。

(2)金山寺火山的沉积特征:金山寺火山海拔1368.0m,是山西大同地区一个较大的火山锥,其沉积主体为原生火山碎屑岩堆积而成。东北坡可见高约15m的剖面,底部呈黑色,略具层次的火山碎屑堆积。单层的厚度变化在0.5—1.5m。沉积特征类似黑山火山碎屑岩,每层在接近坡脚的部位可见较为粗大的火山块相对集中。由外缘向火山口方向,细粒火山碎屑相应增加。在局部地段,可见粗大的火山块相对集中的团块,团块的底界为一下凹的槽形,顶界较平,系火山喷发时,在地形低洼的地方,粗大物质相对集中的一种团块构造。碎屑以5.0—15cm的火山块为主(占85%)。剖面的顶部,厚度约为2.0m,为棕红色的火山碎屑,系后期风化,所含铁质还原所致。

(3)萧家窑头火山的沉积特征(表125):萧家窑头火山在大同火山群中较小,顶部海拔1130.2m,山形不对称,北半部分坡度较缓,相对高度仅50m;南半部坡度陡峭,相对高度约100m。造成山体形态不对称的主要原因,是南半部分受到后期流水冲刷切割、高度有所降低所致。火山南半部发育了六条走向东南的冲沟,其中一条长达500m、深达15—20m,深深切入火山碎屑沉积之中,出露良好的火山碎屑堆积剖面。

西南坡上有玄武岩流顺坡朝西南方向延伸约1500m之长(图125,图1219)。

上游源头剖面高约10m,未见底。最顶部为一层厚约1m的混杂有火山块的马兰黄土堆积,紧接着为一层受到地表水下渗淋溶的火山碎屑堆积,火山弹、火山块等火山碎屑的表面沉淀有白色的钙质物,砾石略有胶结,细粒物质稀少。火山碎屑有磨圆现象,一般为次棱角状或次圆状,较细的火山碎屑(小于2cm)磨圆状态却不甚明显,碎屑形态大多呈扁平状。大部分火山碎屑的粒径不超过20cm,最大粒径一般在30—38cm,偶尔看见约50cm的。再向下为一套棕红色的、具有层理的火山碎屑沉积物,厚度20—100cm不等,层面与坡地的倾向一致,即倾向东南,倾角9°。沉积物中扁平砾石的最大扁平面的倾向和层面一致。火山碎屑物里无外来物质的混入。成层现象表现为粗粒和细粒火山碎屑相间出现。

二、次生火山混杂堆积

次生或外力改造的火山混杂沉积,其结构与构造反映的是外力过程特征。因此,它们与外力成因的碎屑沉积相特征一样,要对其作出成因判别,就要对火山碎屑的存在和比例、出现的区域和层位以及岩性特征等因素予以考虑。

任何沉积在地理分布上都与其他沉积相关联。一般说来,这种联系是有规律的,如冲积扇—河流—三角洲—湖泊沉积,构成一种稳定的沉积体系域和模式。但火山沉积与此有很大的不同,火山沉积从本质上说,是受地球内营力控制的,空间分布具有非地带性特征。它可以与任何成因类型的沉积比邻而居,可以出现在残坡积、冲积、洪积、湖积、海积或冰碛等任何沉积体系中,有很大的随机性。现以山西大同火山群地区为例。

大同盆地许堡火山沉积与湖相沉积比邻。沿许堡火山向东至东大沟的沟谷中,对比图1215,其中(a)沟谷头和沟的上段可以看到火成碎屑在坡地上的火山泥石流沉积,大小混杂,粗细层交互,碎屑成分以火山弹为主,颗粒长轴顺坡向,略显坡地沉积特征;(b)沟谷中段可见两层火成碎屑沉积,之间为一侵蚀面,下层倾角大于上层;具有明显的粗细交互薄层,以火山砾为主,砾石已有磨圆,有较多的颗粒长轴垂直于坡向,具有一定湖浪影响;(c)沟谷下段主要为湖相粉砂、黏土沉积,但其中夹有2—3层含有大量火山颗粒,层厚为20—60cm,碎屑颗粒分选好,磨圆度图1215大同许堡火山东大沟火成碎屑沉积与湖泊沉积相互关系示意图(刘耕年绘)a.沟头;b.沟中段;c.沟口。图例同较高,可能系小股河道或密度流沉积。

在秋林沟的上游,可见火山碎屑和熔岩流阻塞原始沟谷形成的堰塞湖。此后,河流重新切开熔岩,在上游发育了三级阶地,并有湖相沉积;下游可见原始河流沉积物被火山碎屑和熔岩覆盖的现象,这说明火山物质可以出现在任何环境。

还有一些火山喷发发生在风成黄土发育期,因而火山碎屑沉积可以夹杂在黄土沉积之中。黑山东南沟头的火山碎屑沉积正夹在马兰黄土与离石黄土之间,其下为离石黄土,中间即由一薄层砾石与砂为主的火山碎屑沉积,砾石呈棱角状,磨圆度低。火山沉积之上则由马兰黄土所披盖(图1216)。

次生堆积包括火山泥石流堆积和经过河、湖、海以及坡面流改造过的火山碎屑沉积。

1.火山泥石流堆积

可再分为原生和次生两种。原生的是火山喷发时,水、气与熔岩相混,高速喷出流动;次生的是火山堆积经后期地面泥石流改造过程。

除各类密度流的共同特征外,火山泥石流毕竟还具备一些独有的本质特征。如,通常具有粒级层,浮岩碎屑的粒级有向相反方向(即由大趋小或由小变大)递变的可能,但常见的是后者,其颗粒从底向顶逐渐增大,其原因是浮岩有漂浮性能。因此,在理想的垂直层理序列中,浮岩块下部小、上部大,至顶部达到最大,而石质碎屑却潜入并集中于底部,有时则仅仅只有底泥层。

火山碎块的熔结现象早已作为陆上火山碎屑沉积物的证据(拉乔埃,1982),但水下沉积也同样存在(Francisetal,1973),大同许堡东山南沟沉积剖面的底部即见有湖相中的熔结现象。此外,如前所述,碎屑在一定的坡度和自身重量作用下,向下运动时发生挤压、跳跃、滚动甚至震动的现象,这就使细小的颗粒易于沉到下面,而较大的颗粒反而保留在上部,呈反粒级分选,类似于筛滤沉积(图1217)。在水平方向上,单层厚度及粒度也是顺着流动方向往坡下减少。

此外,还可以见到火山泥石流团块(图1218),如大同萧家窑头东南冲沟中,就有一处高1.2m、长3.5m的团块插入碎屑层中。此团块黄土质含量高,见有黄土块,局部可见薄层理,砾石呈支撑结构。

2.重力和斜坡改造的次生火山混杂堆积

在火山地区,还有多种外力以各种方式参与后生改造作用,在湖相和海相沉积中出现坠石,冰川作用形成被冰川改造的火山碎屑冰碛,经冻融破碎、扰动的火山碎屑、风力作用形成的火山碎屑沉积等。最新研究发现,黑龙江五大连池有火山喷发引起的山崩堆积,在原老黑山、火烧山,火山周边形成高几米和十几米的小丘,以前以为是副火山,其实是火山岩碎崩落堆积而成,叫“岩屑崩落堆积”(刘祥等,2011)。因此,实际上在一个火山作用地区,各种外力作用是组合在一起共同改造原生火山物质的,也会形成一种混杂堆积综合体。对这些过程和沉积的研究,对解释火山作用特点、环境,无疑会有一定的帮助,而且,对于火山碎屑沉积的识别,为各种外力沉积作用的年代、速率提供了依据,有利于火山灰年代学的建立。

现以山西大同两个剖面的火山次生堆积为代表介绍。

萧家窑头火山重力和坡积堆积剖面:主体为原生的火山碎屑岩堆积,山麓分布重力与坡地流水改造的次生火山碎屑物并有明显的层理,内夹黄土状物质,砾石一般无磨圆迹象,层面顺坡倾斜,倾角20°—30°(照片123;图1219)。

火山底部为一套略微胶结的火山碎屑岩,与其上覆的火山碎屑物之间呈角度不整合关系,上覆物质层面向火山口内倾斜,反映昊天寺火山系至少由两次喷发形成。第一次喷发形成底部略有胶结的岩层,并有一火山口洼地;第二次喷发形成上覆的物质,喷发物顺坡堆积,在火山口内形成主要向内倾斜的层理,但也有背向火山口的斜层;在坡脚还形成一套坡面流水改造的次生坡积火山碎屑岩,局部有团块状火山泥石流发育。

3.湖泊改造的火山碎屑沉积

在湖中或湖边,抑或是后期发育湖泊的火山地区,火山碎屑会受到湖浪、湖流的改造,形成湖相火山碎屑(岩)沉积。这种湖相沉积,一般以夹层的方式出现在正常的湖相地层中,以其沉积物的岩性差别即可与其他物源的湖相沉积区别开来。

山西大同盆地从早到中更新世的火山群,在位于中部的部分火山系在湖泊中喷发,因而受到湖水的改造。萧家窑头火山即是代表之一,该火山锥目前海拔1130.2m,其南半部发育有六条现代冲沟同时切割该火山锥体。在火山锥的顶部,可见一厚10m的剖面(图1219),剖面总的特征是火山碎屑粒径以10—20cm的火山块为主,次为火山砾及火山灰。砾石磨圆度高,呈扁平状,具正粒序,每层厚0.5—1.5m不等,每一韵律层可能反映一次火山喷发,而后,降落的火成碎屑再经受湖浪的改造。从锥体顶部经其中部直至下部,湖相火山沉积逐渐变薄、颗粒变细,并发育湖相水平层理,离火山锥体越远,非火山成因的碎屑物比例逐渐增加。

萧家窑头东大沟中,有湖泊改造后的火山沉积物:

东大沟系萧家窑头北面一条较大的冲沟,沟长约500m,在湖相地层中出现一火山碎屑堆积剖面,该剖面厚约6.5m,集中体现出湖泊改造火山碎屑的沉积特征(图1220)。