长白山地区火山作用的地质构造背景

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°40’N, 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，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。

67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，1989）3、古生界和中生界古生界由浅海相碎屑—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ΔT图上也表现为串珠状负异常（ΔT强度稳定在-100γ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。