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
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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：1997.6－2000.12
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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
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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
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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；
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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。

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图1 长白山地区所处的大地构造位置
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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。

在断裂出露的不同地区进行了研究和踏勘，并没有发现明显的断层切过第四系沉积层的证据。

但在卫星影片上清楚可见(图3)。

4、图们江断裂
图们江断裂沿图们江呈北东走向。

断裂在部分地段影响到了晚第三纪-第四纪的沉积层。

利用TL、ESR法测定了断层（带）的断层泥，得到最小
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的年龄值都大于10ka，表明此时间以来断层没有强烈活动。

有证据表明，沿图们江断裂有近东西走向发育的岩墙，该岩墙切过了2.77 Ma的玄武岩，可见其形成晚于2 Ma。

这与3 Ma以来近东西方向的挤压作用所形成的浅层次的剪切特征相一致。

可能为剪切作用形成的岩墙。

5、北西及东西走向的断裂（带）
除了上述主要的断裂或断裂带以外，切过长白山天池火山及周边的断层还有北西西、北西及近东西走向的断层。

特别是北西西走向的断层，在地表调查中很难发现其露头。

但在卫星照片上发现至少五条（其中两条解译为深断裂）断层，且平行排列，这与重力资料所得出的结果非常一致。

这些北西西走向的隐伏断层（带）分布于天池火山的南北两侧，并且与上新世末期以来形成的火山的分布方向一致。

东西走向的断层存在于第四纪沉积层之下的基岩中，而且断层并没有切过第四纪的沉积层，显然为第四纪之前形成的断层，只是在第四纪以来的地壳抬升过程中由于差异抬升作用形成了区内的部分地段断层的高差不一致。

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
（1）新生代早中期
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图3 长白山天池火山及周边断裂构造解译图（据单新建等，本次工作）
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图4 长白山及周边地区第四纪期间断裂活动年龄分布图
（图中测年数据为本次工作及前期工作积累，TL 法、ESR 法）
新生代早中期区内总体上表现为拉张环境。

一系列的北东走向的断陷盆地的形成、玄武岩的喷发均表明此时期的拉张环境的信息。

长白山天池地区也同样具有相应的构造及盆地沉积。

(2) 第四纪以来
进入第四纪特别是上新世晚期以来，由于大区域的构造背景的变化，区内相应的形成了与前期完全不同的构造背景。

第四纪期间的断裂活动的年代证据表明，大部分的北东和北西走向的断层在10万年以来并没有明显的活动（图4）。

在图4中利用TL、ESR等测年方法获得的数据表明，在天池周边，北西西走向的断层在更新世晚期以来较发育。

在天池火山北侧获得了60±3.0 ka、 15.6±0.78 ka断层年龄（TL法）。

利用其它一些资料，可以看出，东北地区更新世晚期以来，至少浅表层次的断层并没有明显的活动特征。

而在长白山及天池及其周围所见到的切过碱流岩及玄武岩盾的“X”型剪节理，其锐夹角指向为近东西走向。

表明其于更新世以来受到了近东西走向和挤压作用的影响。

2、长白山及周边地区新生代以来的构造演化
（1）日本海的演化(Lallemand and Jolivet,1985)
A、始新世-渐新世早期（主扩张前）
晚白垩世，日本岛仍是亚州大陆的一部分。

它们处于活动的大陆边缘。

中新世中期（此时库拉板块开始垂直亚洲大陆边缘俯冲），发生右旋运动。

整个日本陆块开始向南漂移，发生了第一次小规模的拉分作用。

B、渐新世晚期-中新世早期（主扩张）
日本海盆两侧的左旋运动占主要地位。

整个日本以向南运动为主，产生了棱形的日本海盆。

在走滑断层的控制下，盆地强烈下陷。

盆地内产生了一些雁行式的槽地。

C、中新世中期（第二次扩张）
发生了近于平行于日本岛弧南部的弧后扩张作用。

这时，向南的走滑作用明显减弱，只限于狭窄地带。

21Ma以后，应力场呈强烈的拉张状态，拉张方向和日本块体垂直（西南向NW-SE向拉张，东北向E-W向拉张）。

此时在日本海的东部边缘产生了一系列地垒和地堑（叠加在先存的走滑构造上。

15-12Ma，向东的扩张占主导地位。

弧后扩张大约在12Ma左右结束）。

D、上新世末-第四纪以来（挤压）
3或2Ma以来，西太平洋板块向西俯冲，本区进入挤压阶段。

这一阶段，地震活动显著，震源（中深源地震）机制显示了逆断型的特
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点，地震多沿东倾的断层面分布，断层面大致平行于日本海的东部边缘。

这表明，本区以E-W向挤压为主。

(2)中国东部大陆新生代以来的构造演化
白垩纪中晚期形成了中国东北地区北东走向的左行走滑作用，现今所见的依兰-伊通断裂、密山-敦化断裂即为当时形成的断裂在后期构造叠加基础上形成的断裂。

新生代中国东北地区向南北方向的拉张作用形成了大范围的玄武岩喷发(王瑜等，1999)。

这些玄武岩的喷发基本上沿着北东走向的断裂构造分布，如四平-长春断裂、依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂等构造区发育大量的新生代早中期形成的玄武岩岩体。

中国东北地区中新生代的构造作用过程实际上也与中国东部西太平洋板块的俯冲作用对中国东北地区的造山与成盆作用的影响相一致。

中生代中晚期西太平洋板块沿欧亚大陆东缘北北东走向的左行移动，形成了东部地区的北东走向的左行平移断层；新生代期间的日本海的拉张与中国东部地区的新生代的伸展断陷作用有某种内在的一致性，尽管二者形成时间并不一致。

而更新世以来中国东部地区特别是东北地区的近东西方向的挤压作用形成了该区的地震活动以及地壳的差异抬升作用。

新生代期间中国东北地区除了大范围的伸展作用和更新世以来的弱的近东西向的挤压作用之外，与这些构造作用的过渡期间形成了不同规模的挤压作用，如局部区域的挤压构造，但总体上表现为拉张作用形成的断陷、相应的盆地沉积和沿断裂分布的火山活动。

而这些火山作用在新生代不同时期它们的分布范围、分布特征及其成因不完全一致。

更新世以来的构造作用，总体上表现为近东西方向的弱挤压，地壳发生的抬升由东向西逐渐减弱，表现为不均一的抬升，并没有形成典型的挤压环境下的造山作用，只表现为大陆内部的弱挤压，形成了局部地区的冲断作用、抬升等。

构造应力场的变化以及构造节理的分布和特征也同样表明了近东西方向的挤压变形而并非拉张作用。

断层的测年、以及所断开的地层分布关系表明，更新世以来，所见到的断层基本上处于相对弱的状态，很大程度上一些断层并没有表现出活动的迹象。

新生代早中期的构造活动均沿北东-北北东走向的构造带发育、展布。

而新生代晚期特别是上新世末-更新世以来的构造活动在地表露头较少。

3、长白山天池及邻区新生代火山喷发的时-空分布
（1）、火山活动的时-空分布
新生代早中期的火山活动基本上沿北东走向的断裂带分布，如沿依兰-伊通断裂带、密山-敦化断裂带的分布等。

新生代中新世-上新世早期，火山
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图5长白山及东北大部分地区新生代以来的火山活动时-空分布图
（图中火山年代数据来自刘嘉麒，1987） 活动并不一定沿北东走向的断层分布，但总体上与前期的火山活动有一定的联系。

新生代晚期以来，特别是上新世晚期-更新世以来，火山活动并没有沿北东走向的断层分布，而是基本上分布于几个局限的范围，并且沿北西西-北西走向的构造带或范围分布（图5）。

（2）长白山天池火山活动的时序
天池火山的基座由军舰山期玄武岩组成；锥体由白头山期粗面岩组成；在锥体和玄武岩盾上披盖着由全新世爆炸式喷发所形成的火山碎屑岩席。

天池火山经历了早期的造盾阶段、中期的造锥阶段、晚期的造火山碎屑席阶段。

A 、造盾阶段
从上新世末到早更新世，长白山区地壳活动加剧，强烈隆起，并涌出玄武岩浆。

军舰山期橄榄玄武岩主要是中心式喷发。

天池火山口，以及周围的
数十个大小火山口喷出的橄榄玄武岩质浆呈放射状向周围漫流，形成火山盾，构成了天池火山的基座。

其形成时间下部军舰山期玄武岩为 2.77-2.12 Ma，白山期玄武岩形成时间为1.66-1.59 Ma，上部广坪期玄武岩主要岩性为橄榄辉石玄武岩、辉石玄武岩、橄榄玄武岩、玄武岩。

K-Ar年龄为1.48±
0.10Ma。

B、造锥阶段
中、晚更新世，以天池为中心，大量碱性粗面岩质熔岩溢出，堆积在天池火山口周围，盖在军舰山玄武岩之上，形成了天池火山锥体。

晚更新世，在粗面岩质岩浆喷发的间歇期，天池火山锥体子火山喷发，形成了由玄武岩质熔渣构成的子火山（老虎洞期玄武岩），镶嵌在天池火山锥体的斜坡上。

造锥阶段的喷发时间为1.0-0.04 Ma，并经历了几个喷发旋回。

C、造火山碎屑席阶段
全新世，天池火山发生爆炸式喷发。

4105aBP和1215AD两次大爆发，形成了空降堆积和浮岩流堆积，呈席状覆盖于天池火山锥体及玄武岩平台上。

天池火山1215AD大喷发是以碎屑为主的布里尼式大规模的喷发。

这次喷发是目前世界罕见的大喷发之一。

长白山地区新生代火山岩的厚度平均约为300米，体积约为9000km3。

长白山天池火山区的厚度最大，高达1300米；而向四周则逐渐变薄。

这种情况表明，长白山天池火山是本区新生代以来玄武岩质岩浆喷发的中心地带。

刘若新（1998）认为，在相对较小的范围内喷出如此大体积的地幔岩浆源，要求其下有一个或多个岩浆库的存在。

而板块俯冲带之上的地幔楔，较易受其下俯冲板块中挥发组分的影响，从而导致产生地幔玄武岩浆。

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图6 长白山及朝鲜一侧碱流岩的分布与周边地层、构造的关系图 (3)碱流岩的分布
碱流岩的形成和分布与该区的地壳结构有着密切的关系。

长白山天池、望天鹅、西土顶子、朝鲜一侧的南胞胎山等均有碱流岩的形成，这些火山构成了一个北西走向的区域（图
2、图6），从中国大陆一侧一直达到朝鲜-日本海边缘。

显然，碱流岩的形成并不能从单纯意义上的“双层岩浆房”的模式加以解释。

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
新生代早中期的火山活动明显受制于北东走向的伸展断层，并且主要分布于几个大的断裂（带）的内部或其边缘。

这与此时期新生代早中期的东北地区拉张作用有关。

新生代中晚期属于由北西-南东方向的拉张向近东西方向的挤压作用的过渡时期。

其间也有拉张和挤压出现，但都不是主要的构造活动过程。

火山活动的分布规律性不太明显。

新生代晚期上新世晚期-更新世以来，东北地区处于近东西方向、由东向西的挤压状态。

火山活动的分布主要沿北西-北西西方向分布。